JP2017103489A - Damascene-type magnetic tunnel junction structure comprising horizontal and vertical portions and method of forming the same - Google Patents

Damascene-type magnetic tunnel junction structure comprising horizontal and vertical portions and method of forming the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem in which MTJ photo and etch processes may cause an undesired slope, corner rounding and undesired film loss, and such damage can impact a contact resistance of the MTJ structure and potentially even expose or damage the MTJ junction.SOLUTION: A method of fabricating a semiconductor device is disclosed that includes forming a metal layer over a device substrate, forming a via in contact with the metal layer, and adding a dielectric layer above the via. The method further includes etching a portion of the dielectric layer to form a trench area, and depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure within the trench area.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は全般に、磁気トンネル接合(MTJ)構造に関する。   The present disclosure relates generally to magnetic tunnel junction (MTJ) structures.

一般に、ポータブルコンピューティングデバイスおよびワイヤレス通信デバイスの広範な採用により、高密度かつ低電力の非揮発性メモリに対する需要が高まっている。プロセス技術が向上するに従い、磁気トンネル接合(MTJ)デバイスに基づく磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)を製造することが可能になった。従来のスピントルクトンネル(STT)接合デバイスは、通常、平らな積層構造として形成される。そのようなデバイスは通常、単一の磁区を有する2次元の磁気トンネル接合(MTJ)セルを有する。MTJセルは、通常、下部電極、反磁性材料により形成されたリファレンス層、リファレンス層により固定またはピン止めされた磁気モーメントを持つ固定層またはピン止め層、トンネルバリア層(すなわち、トンネル酸化物層)、フリー層(すなわち、変更可能な方向を有する磁気モーメントを持つ強磁性層)、キャップ層、および上部電極を含む。固定層が持つ固定された磁気モーメントの方向に対する、フリー層の磁気モーメントの方向が、MTJセルにより表されるデータ値を決定する。   In general, the widespread adoption of portable computing devices and wireless communication devices has increased the demand for high density and low power non-volatile memory. As process technology has improved, it has become possible to manufacture magnetoresistive random access memories (MRAM) based on magnetic tunnel junction (MTJ) devices. Conventional spin torque tunnel (STT) junction devices are typically formed as flat stacked structures. Such devices typically have a two-dimensional magnetic tunnel junction (MTJ) cell with a single magnetic domain. An MTJ cell typically has a bottom electrode, a reference layer formed of a diamagnetic material, a fixed or pinned layer having a magnetic moment fixed or pinned by the reference layer, a tunnel barrier layer (ie, a tunnel oxide layer). , Including a free layer (ie, a ferromagnetic layer having a magnetic moment with a changeable direction), a cap layer, and a top electrode. The direction of the magnetic moment of the free layer relative to the direction of the fixed magnetic moment of the fixed layer determines the data value represented by the MTJ cell.

通常、磁気トンネル接合(MTJ)セルは、複数の材料の層を堆積し、層の上でパターンを画定し、パターンに従って層の一部を選択的に除去することによって、形成される。従来のSTT MTJセルは、面内の磁気モーメントであり、磁気の等方性の効果を保つために、長さと幅のアスペクト比を1よりも大きく保つように形成される。従来は、MTJセルのアスペクト比は、MTJパターンの精度を制御して、MTJのフォトプロセスおよびエッチングプロセスを実行することにより、維持される。ある特定の例では、MTJのパターンを正確に移して画定するために、ハードマスクが用いられ得る。しかし、MTJセル構造は侵食を受けることがあり、これにより、望ましくない傾斜、角の丸まり、および望ましくない薄膜の喪失が起こり得る。そのような損傷は、MTJ構造の接触抵抗に影響を与えることがあり、さらには、MTJ接合を露出させまたは損傷する可能性がある。   Typically, a magnetic tunnel junction (MTJ) cell is formed by depositing multiple layers of material, defining a pattern on the layer, and selectively removing portions of the layer according to the pattern. A conventional STT MTJ cell is an in-plane magnetic moment and is formed to maintain a length to width aspect ratio greater than 1 in order to maintain a magnetic isotropic effect. Conventionally, the aspect ratio of the MTJ cell is maintained by controlling the accuracy of the MTJ pattern and performing the MTJ photo process and etching process. In one particular example, a hard mask may be used to accurately shift and define the MTJ pattern. However, MTJ cell structures can be subject to erosion, which can lead to undesired slopes, rounded corners, and undesired film loss. Such damage can affect the contact resistance of the MTJ structure and can further expose or damage the MTJ junction.

ある特定の例示的な実施形態では、半導体デバイスを製造する方法が開示される。方法は、デバイス基板を覆って金属層を形成するステップを含む。方法はさらに、金属層と接触するビアを形成し、ビアの上に誘電層を追加するステップを含む。方法はまた、誘電層の一部をエッチングして、トレンチ領域を形成するステップを含む。方法はさらに、垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造をトレンチ領域に堆積するステップを含む。   In certain exemplary embodiments, a method for manufacturing a semiconductor device is disclosed. The method includes forming a metal layer over the device substrate. The method further includes forming a via in contact with the metal layer and adding a dielectric layer over the via. The method also includes etching a portion of the dielectric layer to form a trench region. The method further includes depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure in the trench region.

別の特定の実施形態では、半導体デバイスのトレンチ領域の中に配置された垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造を含む、半導体デバイスが開示される。   In another particular embodiment, a semiconductor device is disclosed that includes a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure disposed in a trench region of the semiconductor device.

開示される実施形態の少なくとも一部により提供される1つの具体的な利点は、トレンチを用いて、垂直MTJ構造をフォト/エッチングすることなく垂直MTJ構造の寸法を画定することによって、酸化、侵食、および角の丸まりを低減できるということである。トレンチは、垂直MTJ金属膜よりもフォトエッチングが容易な、酸化物ベースの基板に形成され得る。さらに、酸化物ベースの基板は、金属層よりも、正確にフォトエッチングするのが容易である。垂直MTJ構造の性能に影響を与え得る、侵食、角の丸まり、または他の問題を引き起こさずに、余剰の材料を除去するために、リバーストレンチフォトエッチングプロセスおよび化学機械研磨(CMP)プロセスが用いられ得る。   One particular advantage provided by at least some of the disclosed embodiments is that oxidation, erosion is achieved by using trenches to define the dimensions of the vertical MTJ structure without photo / etching the vertical MTJ structure. , And rounding of corners can be reduced. The trench can be formed in an oxide-based substrate that is easier to photoetch than a vertical MTJ metal film. Furthermore, oxide-based substrates are easier to photoetch accurately than metal layers. Reverse trench photoetching and chemical mechanical polishing (CMP) processes are used to remove excess material without causing erosion, corner rounding, or other problems that can affect the performance of the vertical MTJ structure. Can be.

別の具体的な利点は、垂直MTJ構造の形成のためのプロセスウィンドウが改善し、すなわち広がり、垂直MTJプロセスおよび得られる垂直MTJ構造の全体の信頼性も改善するという点にある。   Another specific advantage is that the process window for the formation of the vertical MTJ structure is improved, i.e. widened, and the overall reliability of the vertical MTJ process and the resulting vertical MTJ structure is also improved.

本開示の他の態様、利点、および特徴は、以下のセクション、すなわち、図面の簡単な説明、発明を実施するための形態、および特許請求の範囲を含む、本出願全体の検討後に明らかになろう。   Other aspects, advantages, and features of the present disclosure will become apparent after review of the entire application, including the following sections, including a brief description of the drawings, a mode for carrying out the invention, and the claims. Let's go.

デバイスにおけるトレンチの形成を示し、トレンチの中に配置される垂直磁気トンネル接合(MTJ)の代表的な実施形態を示す、断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the formation of a trench in a device and illustrating an exemplary embodiment of a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) disposed in the trench. 実質的に長方形の形状を有する垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルを含む回路デバイスの、特定の例示的な実施形態の上面図である。1 is a top view of a particular exemplary embodiment of a circuit device including a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell having a substantially rectangular shape. FIG. 図2の線3−3で切られた、図2の回路デバイスの断面図である。3 is a cross-sectional view of the circuit device of FIG. 2 taken along line 3-3 of FIG. 実質的に楕円形の形状を有する垂直磁気トンネル接合(MTJ)を含む回路デバイスの、第2の特定の例示的な実施形態の上面図である。FIG. 3 is a top view of a second particular exemplary embodiment of a circuit device including a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) having a substantially elliptical shape. 垂直磁気トンネル接合(MTJ)を含む回路デバイスの、第3の特定の例示的な実施形態の上面図である。FIG. 6 is a top view of a third particular exemplary embodiment of a circuit device including a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ). 図5の線6−6で切られた、図5の回路デバイスの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the circuit device of FIG. 5 taken along line 6-6 of FIG. 複数のビットを記憶するようになされた垂直磁気トンネル接合セルを有する基板を含む記憶デバイスの、特定の例示的な実施形態の上面図である。1 is a top view of a particular exemplary embodiment of a storage device including a substrate having a perpendicular magnetic tunnel junction cell adapted to store a plurality of bits. FIG. 図7の線8−8で切られた、図7の回路デバイスの断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the circuit device of FIG. 7 taken along line 8-8 of FIG. 図7の線9−9で切られた、図7の回路デバイスの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the circuit device of FIG. 7 taken along line 9-9 of FIG. 複数のビットを記憶するようになされた垂直磁気トンネル接合(MTJ)を有する基板を含む記憶デバイスの、別の特定の例示的な実施形態の上面図である。FIG. 6 is a top view of another particular exemplary embodiment of a storage device including a substrate having a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) adapted to store a plurality of bits. 図10の線11−11で切られた、図10の記憶デバイスの断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the storage device of FIG. 10 taken along line 11-11 of FIG. 図10の線12−12で切られた、図10の記憶デバイスの断面図である。12 is a cross-sectional view of the storage device of FIG. 10 taken along line 12-12 of FIG. キャップ薄膜層の堆積と、ビアのフォト/エッチング、フォトレジストの剥離、ビアのフィリング、およびビアの化学機械研磨(CMP)プロセスとの後の、回路基板の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a circuit board after deposition of a cap thin film layer and via photo / etching, photoresist stripping, via filling, and via chemical mechanical polishing (CMP) processes. 金属間誘電層(IMD)の堆積、キャップ薄膜の堆積、トレンチのフォト/エッチングプロセス、下部電極の堆積、磁気トンネル接合(MTJ)薄膜の堆積、上部電極の堆積、およびリバースフォト/エッチングプロセスの後の、複数のトレンチおよび複数の垂直MTJ構造を示す、図13の回路基板の断面図である。After intermetal dielectric layer (IMD) deposition, cap thin film deposition, trench photo / etch process, bottom electrode deposition, magnetic tunnel junction (MTJ) thin film deposition, top electrode deposition, and reverse photo / etch process FIG. 14 is a cross-sectional view of the circuit board of FIG. 13 showing multiple trenches and multiple vertical MTJ structures. リバースフォトレジスト剥離および、キャップ薄膜層で止まるMTJ CMPプロセスの後の、図14の回路基板の断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view of the circuit board of FIG. 14 after reverse photoresist stripping and an MTJ CMP process that stops at the cap film layer. フォトレジストをスピンコートし、垂直MTJ積層の側壁を除去するためにフォトエッチングして、プロセス開口を設けた後の、図15の線16−16で切られた、図15の回路基板の断面図である。15 is a cross-sectional view of the circuit board of FIG. 15 taken along line 16-16 of FIG. 15 after spin coating a photoresist and photoetching to remove the sidewalls of the vertical MTJ stack and providing a process opening. It is. IMD酸化物材料によるプロセス開口の充填、およびキャップ層で止まるCMPプロセスの後の、図16の回路基板の断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view of the circuit board of FIG. 16 after filling a process opening with IMD oxide material and a CMP process stopping at the cap layer. 第1のIMD層の堆積、ビアのプロセス、金属膜の堆積、および表面の配線のパターニングの後の、図17の線18−18で切られた、図17の回路基板の断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view of the circuit board of FIG. 17 taken along line 18-18 of FIG. 17 after first IMD layer deposition, via process, metal film deposition, and surface wiring patterning. 垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルを形成する方法の、ある特定の例示的な実施形態の流れ図である。3 is a flow diagram of a particular exemplary embodiment of a method of forming a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell. 垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルを形成する方法の、第2の特定の例示的な実施形態の流れ図である。2 is a flow diagram of a second particular exemplary embodiment of a method of forming a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell. 垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルを形成する方法の、第2の特定の例示的な実施形態の流れ図である。2 is a flow diagram of a second particular exemplary embodiment of a method of forming a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell. 複数の垂直MTJセルを有する記憶デバイスを含む、代表的なワイヤレス通信デバイスのブロック図である。1 is a block diagram of an exemplary wireless communication device including a storage device having multiple vertical MTJ cells. 垂直MTJセルを含む電子デバイスを製造するための製造プロセスの、ある特定の例示的な実施形態のデータ流れ図である。2 is a data flow diagram of a particular exemplary embodiment of a manufacturing process for manufacturing an electronic device including a vertical MTJ cell.

図1は、デバイスにおけるトレンチの形成と、トレンチの中に配置される垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルの代表的な実施形態とを示す、断面図である。図1を参照すると、プロセスの第1の段階192、第2の段階194、および第3の段階196の後の、回路基板のある特定の実施形態の断面図が示される。回路基板100は、デバイス基板105、第1の金属間誘電層(IMD)101、配線103、および、第1の金属間誘電層(IMD)101を覆って配置される第2の金属間誘電層(IMD)102を含む。ある特定の実施形態では、フォトレジスト層は、第2のIMD102を覆ってフォトレジストをスピンコートすることによって、塗布され得る。フォトエッチングプロセスが、第2の金属間誘電層102の中にトレンチパターンを画定するために適用され得る。フォトレジスト層は、第2の金属間誘電層102を貫通する開口またはビアを露出するようにエッチングした後で、剥離される。導電性材料またはビアフィリング材料108が開口の中に堆積され、CMPプロセスのような研磨プロセスが、回路基板100を研磨するために実行され得る。トレンチ114は、たとえば、トレンチのフォトエッチングおよび洗浄プロセスを実行することによって、第2の金属間誘電層102の中に画定される。   FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the formation of a trench in a device and an exemplary embodiment of a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell disposed in the trench. Referring to FIG. 1, a cross-sectional view of a particular embodiment of a circuit board is shown after a first stage 192, a second stage 194, and a third stage 196 of the process. The circuit board 100 includes a device substrate 105, a first intermetal dielectric layer (IMD) 101, a wiring 103, and a second intermetal dielectric layer disposed over the first intermetal dielectric layer (IMD) 101. (IMD) 102 is included. In certain embodiments, a photoresist layer can be applied by spin coating the photoresist over the second IMD 102. A photo etch process may be applied to define a trench pattern in the second intermetal dielectric layer 102. The photoresist layer is stripped after etching to expose openings or vias through the second intermetal dielectric layer 102. A conductive material or via filling material 108 is deposited in the openings and a polishing process, such as a CMP process, can be performed to polish the circuit board 100. The trench 114 is defined in the second intermetal dielectric layer 102, for example, by performing a trench photo-etching and cleaning process.

第1の段階192の後で、垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル150が、トレンチ114の中に堆積される。垂直MTJセル150は、下部のビアフィリング材料108に結合される下部電極176と、下部電極176に結合される垂直MTJ積層152と、垂直MTJ積層152に結合される上部電極170とを含む。フォトレジスト層が、上部電極170上でパターニングされ得る。リバースMTJフォトエッチングプロセスが、フォトレジスト層、上部電極170、垂直MTJ積層152、および下部電極176に適用され、トレンチ114の中にない、またはトレンチ114の上にある、余剰の材料を除去する。   After the first stage 192, a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 150 is deposited in the trench 114. The vertical MTJ cell 150 includes a lower electrode 176 coupled to the lower via filling material 108, a vertical MTJ stack 152 coupled to the lower electrode 176, and an upper electrode 170 coupled to the vertical MTJ stack 152. A photoresist layer may be patterned on the upper electrode 170. A reverse MTJ photoetch process is applied to the photoresist layer, top electrode 170, vertical MTJ stack 152, and bottom electrode 176 to remove excess material that is not in or over the trench 114.

この特定の例では、トレンチ114は、トレンチ深さ(d)を有するように画定される。下部電極176の厚さは、関連する垂直MTJセル深さ(c)を有するように画定される。ある特定の例では、垂直MTJセル深さ(c)は、トレンチ深さ(d)から下部電極176の厚さを引いたものにほぼ等しい。   In this particular example, trench 114 is defined to have a trench depth (d). The thickness of the bottom electrode 176 is defined to have an associated vertical MTJ cell depth (c). In one particular example, the vertical MTJ cell depth (c) is approximately equal to the trench depth (d) minus the thickness of the bottom electrode 176.

一般に、トレンチ114の中に垂直MTJセル150を作ることによって、トレンチ114の寸法が、垂直MTJセル150の寸法を画定する。さらに、トレンチ114は垂直MTJセル150の寸法を画定するので、垂直MTJセル150は、クリティカルで高価なフォトエッチングプロセスを垂直MTJセル150に対して実行することなく形成することができ、垂直MTJセル150に関連する、酸化、角の丸まり、および他の侵食に関連する問題を減らす。   In general, by making vertical MTJ cell 150 in trench 114, the dimensions of trench 114 define the dimensions of vertical MTJ cell 150. In addition, because the trench 114 defines the dimensions of the vertical MTJ cell 150, the vertical MTJ cell 150 can be formed without performing a critical and expensive photo-etching process on the vertical MTJ cell 150. Reduce the problems associated with 150 related to oxidation, rounding of corners, and other erosion.

ある特定の実施形態では、垂直MTJセル150は、フリー層154、トンネルバリア層156、およびピン止め層158を含む、垂直MTJ積層152を含む。垂直MTJ積層152のフリー層154は、キャップ層180を介して上部電極170に結合される。この例では、垂直MTJ積層152のピン止め層158は、リファレンス層178を介して下部電極176に結合される。ある特定の実施形態では、リファレンス層178は白金を含み得る。   In certain embodiments, the vertical MTJ cell 150 includes a vertical MTJ stack 152 that includes a free layer 154, a tunnel barrier layer 156, and a pinned layer 158. The free layer 154 of the vertical MTJ stack 152 is coupled to the upper electrode 170 via the cap layer 180. In this example, the pinned layer 158 of the vertical MTJ stack 152 is coupled to the lower electrode 176 via the reference layer 178. In certain embodiments, the reference layer 178 can include platinum.

リファレンス層178およびピン止め層158は、同じ方向に向いたそれぞれの磁区107および109を有する。フリー層154は、書込み電流(図示せず)を介してプログラム可能な、磁区111を含む。この特定の観点では、磁区107、109、および111は垂直方向を向いている。他の実施形態では、1つまたは複数のシード層、バッファ層、漂遊磁場バランス層、接続層、性能改善層のような追加の層を含んでもよく、性能改善層はたとえば、統合ピン止め層、統合フリー(SyF)層、デュアルスピンフィルタ(DSF)、またはこれらの任意の組合せである。ある特定の実施形態では、垂直MTJセル150は鉄/白金を含み得る。別の特定の実施形態では、垂直MTJセルはコバルト/白金を含み得る。さらに別の特定の実施形態では、垂直MTJセルはコバルト/ニッケルを含み得る。   Reference layer 178 and pinned layer 158 have respective magnetic domains 107 and 109 oriented in the same direction. The free layer 154 includes magnetic domains 111 that are programmable via a write current (not shown). From this particular point of view, the magnetic domains 107, 109, and 111 are oriented vertically. In other embodiments, additional layers may be included such as one or more seed layers, buffer layers, stray field balance layers, connection layers, performance improvement layers, such as an integrated pinned layer, An integrated free (SyF) layer, a dual spin filter (DSF), or any combination thereof. In certain embodiments, the vertical MTJ cell 150 may include iron / platinum. In another specific embodiment, the vertical MTJ cell can include cobalt / platinum. In yet another specific embodiment, the vertical MTJ cell can include cobalt / nickel.

下部電極176、垂直MTJ積層152、および上部電極170がトレンチ114の中に形成された後、第3の段階196において、化学機械研磨(CMP)プロセスが適用され、実質的に平らな表面112を形成する。第3のキャップ層および第4の金属間誘電層が、堆積され得る。ビア160を画定するために、フォトエッチングプロセスが適用される。ビア160は導電性材料で充填され、ビアの化学機械研磨プロセスのような研磨プロセスが適用され得る。   After the bottom electrode 176, vertical MTJ stack 152, and top electrode 170 are formed in the trench 114, in a third stage 196, a chemical mechanical polishing (CMP) process is applied to remove the substantially flat surface 112. Form. A third cap layer and a fourth intermetal dielectric layer may be deposited. A photo etch process is applied to define the via 160. The via 160 is filled with a conductive material, and a polishing process such as a via chemical mechanical polishing process may be applied.

ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層は、トレンチ114の形態であり得る。たとえば、図2に示される特定の実施形態では、垂直MTJ積層は、実質的に長方形の形状を有してもよく、トレンチ領域は、実質的に長方形の形状を有してもよい。図3に示される別の特定の実施形態では、垂直MTJ積層は、実質的にU字形の断面を有してもよく、トレンチ領域は、実質的にU字形の断面を有してもよい。図8に示されるようなさらに別の特定の実施形態では、垂直MTJ積層は、実質的にL字形の断面を有してもよく、トレンチ領域は、実質的にL字形の断面を有してもよい。図4に示されるようなさらに別の特定の実施形態では、トレンチの少なくとも一部は、実質的に曲がった形状を有してもよい。ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層の形状は、MTJ積層をエッチングすることなく、トレンチにより画定され得る。   In certain embodiments, the vertical MTJ stack can be in the form of a trench 114. For example, in the particular embodiment shown in FIG. 2, the vertical MTJ stack may have a substantially rectangular shape and the trench region may have a substantially rectangular shape. In another particular embodiment shown in FIG. 3, the vertical MTJ stack may have a substantially U-shaped cross section and the trench region may have a substantially U-shaped cross section. In yet another specific embodiment, as shown in FIG. 8, the vertical MTJ stack may have a substantially L-shaped cross section, and the trench region has a substantially L-shaped cross section. Also good. In yet another specific embodiment, as shown in FIG. 4, at least a portion of the trench may have a substantially curved shape. In certain embodiments, the shape of the vertical MTJ stack can be defined by a trench without etching the MTJ stack.

トレンチの中に形成される垂直STT MTJは、平面のSTT MTJと比べた場合の利点を実現し得る。たとえば、平面のSTT MTJは、スイッチング電流を大きくする、高い減衰係数を有する。MTJのスイッチング電流は、MTJのビットセルスイッチング電流の低減を制限する、MTJのエネルギーバリアおよび保磁場とも相互に関連する。その結果、平面のMRAMビットセルのサイズの低減も、制限される。しかし、垂直STT MTJでは、エネルギーバリアスイッチング電流は、保磁場とは実質的に相互の関連がなく、減衰も低減する。したがって、エネルギーバリアスイッチング電流は、保磁場を考慮することなく、見積もることができる。垂直STT MTJの形状のアスペクト比および等方性の要件も、平面のSTT MTJと比較すると緩和される。その結果、MRAMビットセルのサイズを小さくすることができる。たとえば、侵食または角の丸まりによる、垂直MTJの寸法決めを制限し得る性能に対する有害な影響が、トレンチの中に垂直MTJを形成することによって、低減または回避され得る。   A vertical STT MTJ formed in a trench can provide advantages over a planar STT MTJ. For example, a planar STT MTJ has a high attenuation coefficient that increases the switching current. The MTJ switching current also correlates with the MTJ energy barrier and coercive field, which limits the reduction of the MTJ bit cell switching current. As a result, the reduction in the size of planar MRAM bit cells is also limited. However, in the vertical STT MTJ, the energy barrier switching current is substantially uncorrelated with the coercive field and reduces attenuation. Therefore, the energy barrier switching current can be estimated without considering the coercive field. The aspect ratio and isotropic requirements of the shape of the vertical STT MTJ are also relaxed when compared to the planar STT MTJ. As a result, the size of the MRAM bit cell can be reduced. For example, deleterious effects on performance that can limit the sizing of a vertical MTJ due to erosion or corner rounding can be reduced or avoided by forming the vertical MTJ in a trench.

図2は、実質的に長方形の形状を有する垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル204を含む回路デバイス200の、特定の例示的な実施形態の上面図である。回路デバイス200は、垂直MTJセル204を有する基板202を含む。垂直MTJセル204は、下部電極206、垂直MTJ積層208、中心電極210、およびビア212を含む。垂直MTJセル204は、第1の側壁214、第2の側壁216、第3の側壁218、および第4の側壁220を有する。第2の側壁216は、第1のデータ値を表す第2の磁区222を含み、第4の側壁220は、第2のデータ値を表す第4の磁区224を含む。底壁(図示せず)は、別のデータ値を表す下部磁区346(図3参照)を含み得る。第1の側壁214および第3の側壁218も、具体的な実装形態に応じて磁区を持ち得る。   FIG. 2 is a top view of a particular exemplary embodiment of a circuit device 200 that includes a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 204 having a substantially rectangular shape. The circuit device 200 includes a substrate 202 having vertical MTJ cells 204. The vertical MTJ cell 204 includes a lower electrode 206, a vertical MTJ stack 208, a center electrode 210, and a via 212. The vertical MTJ cell 204 has a first sidewall 214, a second sidewall 216, a third sidewall 218, and a fourth sidewall 220. The second sidewall 216 includes a second magnetic domain 222 that represents the first data value, and the fourth sidewall 220 includes a fourth magnetic domain 224 that represents the second data value. The bottom wall (not shown) may include a lower magnetic domain 346 (see FIG. 3) that represents another data value. The first side wall 214 and the third side wall 218 may also have magnetic domains depending on the specific implementation.

垂直MTJセル204は、長さ(a)および幅(b)を有する。長さ(a)は、第2の側壁216および第4の側壁220の長さに相当する。幅(b)は、第1の側壁214および第3の側壁218の長さに相当する。この特定の例では、垂直MTJセル204の長さ(a)は、幅(b)よりも長い。あるいは、垂直MTJセル204の長さ(a)は、幅(b)と等しくてもよい。   The vertical MTJ cell 204 has a length (a) and a width (b). The length (a) corresponds to the length of the second side wall 216 and the fourth side wall 220. The width (b) corresponds to the length of the first side wall 214 and the third side wall 218. In this particular example, the length (a) of the vertical MTJ cell 204 is longer than the width (b). Alternatively, the length (a) of the vertical MTJ cell 204 may be equal to the width (b).

図3は、図2の線3−3で切られた、図2の回路デバイス200の断面図300である。断面図300は、垂直MTJセル204、ビア212、上部電極210、垂直MTJ積層208、および下部電極206を含む断面で示される、基板202を含む。基板202は、第1の金属間誘電層332、第1のキャップ層334、第2の金属間誘電層336、第2のキャップ層338、第3のキャップ層340、および第3の金属間誘電層342を含む。   FIG. 3 is a cross-sectional view 300 of the circuit device 200 of FIG. 2 taken along line 3-3 of FIG. The cross-sectional view 300 includes a substrate 202 shown in cross-section that includes a vertical MTJ cell 204, a via 212, an upper electrode 210, a vertical MTJ stack 208, and a lower electrode 206. The substrate 202 includes a first intermetal dielectric layer 332, a first cap layer 334, a second intermetal dielectric layer 336, a second cap layer 338, a third cap layer 340, and a third intermetal dielectric. Layer 342 is included.

トレンチが、第2のキャップ層338および第2の金属間誘電層336に形成され、下部電極206、垂直MTJ積層208、および上部電極210を受ける。トレンチは、トレンチ深さ(d)を有し、垂直MTJ積層208は、トレンチ深さ(d)から下部電極206の厚さを引いたものにほぼ等しい深さ(c)を有する。下部ビア344は、第1のキャップ層334および第1の金属間誘電層332を通って延び、下部電極206に結合される。ビア212は、基板202の表面330から、第3の金属間誘電層342および第3のキャップ層340を通って延び、上部電極210に結合される。表面330は、実質的に平らな表面であってよい。   A trench is formed in the second cap layer 338 and the second intermetal dielectric layer 336 and receives the lower electrode 206, the vertical MTJ stack 208, and the upper electrode 210. The trench has a trench depth (d), and the vertical MTJ stack 208 has a depth (c) approximately equal to the trench depth (d) minus the thickness of the lower electrode 206. Lower via 344 extends through first cap layer 334 and first intermetal dielectric layer 332 and is coupled to lower electrode 206. Via 212 extends from surface 330 of substrate 202 through third intermetal dielectric layer 342 and third cap layer 340 and is coupled to upper electrode 210. The surface 330 may be a substantially flat surface.

図4は、実質的に楕円形の形状を有する垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル404を含む回路デバイス400の、第2の特定の例示的な実施形態の上面図である。あるいは、垂直MTJセルは円形の形状を有してもよい。回路デバイス400は、垂直MTJセル404を有する基板402を含む。垂直MTJセル404は、下部電極406、垂直MTJ積層408、上部電極410、および、表面(たとえば図3に示される表面330)から上部電極410に延びるビア412を含む。垂直MTJセル404は、独立した磁区422および424をそれぞれ持つようになされる、第1の側壁416および第2の側壁418を含む。独立した磁区422および424の各々のそれぞれの方向は、それぞれのデータ値を表し得る。加えて、垂直MTJセル404は、図3の下部磁区346のような別の独立した磁区を持つようになされる底壁を含んでもよく、この磁区は別のデータ値を表し得る。   FIG. 4 is a top view of a second particular exemplary embodiment of a circuit device 400 that includes a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 404 having a substantially elliptical shape. Alternatively, the vertical MTJ cell may have a circular shape. The circuit device 400 includes a substrate 402 having vertical MTJ cells 404. The vertical MTJ cell 404 includes a lower electrode 406, a vertical MTJ stack 408, an upper electrode 410, and vias 412 that extend from a surface (eg, surface 330 shown in FIG. 3) to the upper electrode 410. The vertical MTJ cell 404 includes a first sidewall 416 and a second sidewall 418 that are adapted to have independent magnetic domains 422 and 424, respectively. Each direction of each of the independent magnetic domains 422 and 424 may represent a respective data value. In addition, the vertical MTJ cell 404 may include a bottom wall adapted to have another independent magnetic domain, such as the lower magnetic domain 346 of FIG. 3, which may represent another data value.

垂直MTJセル404は、長さ(a)および幅(b)を含み、長さ(a)は幅(b)よりも長い。あるいは、長さ(a)は幅(b)と等しくてもよい。ある特定の実施形態では、図3の断面図は、図4の線3−3で切られた断面も表し得る。この例では、図3に示されるように、垂直MTJセル404が深さ(c)を有するように、垂直MTJセル404は、深さ(d)を有するトレンチの中に形成され得る。この特定の例では、垂直MTJセル404は、長さ(a)が幅(b)よりも長く、幅(b)がトレンチ深さ(d)または垂直MTJセル深さ(c)よりも長くなるように、形成され得る。あるいは、図5および図6に示されるように、MTJセル404が、垂直MTJセル深さ(c)よりも長いトレンチ深さ(d)を有し、垂直MTJセル深さ(c)が長さ(a)よりも長くなるように、垂直MTJセル404は形成され得る。   The vertical MTJ cell 404 includes a length (a) and a width (b), and the length (a) is longer than the width (b). Alternatively, the length (a) may be equal to the width (b). In certain embodiments, the cross-sectional view of FIG. 3 may also represent a cross-section taken along line 3-3 of FIG. In this example, as shown in FIG. 3, the vertical MTJ cell 404 can be formed in a trench having a depth (d) so that the vertical MTJ cell 404 has a depth (c). In this particular example, the vertical MTJ cell 404 has a length (a) greater than the width (b) and a width (b) greater than the trench depth (d) or the vertical MTJ cell depth (c). Can be formed. Alternatively, as shown in FIGS. 5 and 6, the MTJ cell 404 has a trench depth (d) that is longer than the vertical MTJ cell depth (c), and the vertical MTJ cell depth (c) is long. The vertical MTJ cell 404 can be formed to be longer than (a).

図5は、垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル504を含む回路デバイス500の、第3の特定の例示的な実施形態の上面図である。回路デバイス500は、垂直MTJセル504を有する基板502を含む。垂直MTJセル504は、下部電極506、垂直MTJ積層508、中心電極510、およびビア512を含む。垂直MTJセル504は、第1の側壁514、第2の側壁516、第3の側壁518、および第4の側壁520を有する。第2の側壁516は、第1のデータ値を表すようになされる第2の磁区522を含み、第4の側壁520は、第2のデータ値を表すようになされる第4の磁区524を含む。図6に示されるように、底壁670は、下部磁区672を含み得る。第1の側壁514および第3の側壁518も、具体的な実装形態に応じて磁区を持ち得る。   FIG. 5 is a top view of a third particular exemplary embodiment of a circuit device 500 that includes a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 504. The circuit device 500 includes a substrate 502 having vertical MTJ cells 504. The vertical MTJ cell 504 includes a lower electrode 506, a vertical MTJ stack 508, a center electrode 510, and a via 512. Vertical MTJ cell 504 has a first sidewall 514, a second sidewall 516, a third sidewall 518, and a fourth sidewall 520. The second sidewall 516 includes a second magnetic domain 522 that is adapted to represent a first data value, and the fourth sidewall 520 includes a fourth magnetic domain 524 that is adapted to represent a second data value. Including. As shown in FIG. 6, the bottom wall 670 can include a lower magnetic domain 672. The first side wall 514 and the third side wall 518 may also have magnetic domains depending on the specific implementation.

垂直MTJセル504は、長さ(a)および幅(b)を有する。長さ(a)は、第2の側壁516および第4の側壁520の長さに相当する。幅(b)は、第1の側壁514および第3の側壁518の長さに相当する。この特定の例では、垂直MTJセル504の長さ(a)は、幅(b)よりも長い。あるいは、垂直MTJセル504の長さ(a)は、幅(b)と等しくてもよい。   The vertical MTJ cell 504 has a length (a) and a width (b). The length (a) corresponds to the length of the second side wall 516 and the fourth side wall 520. The width (b) corresponds to the length of the first side wall 514 and the third side wall 518. In this particular example, the length (a) of the vertical MTJ cell 504 is longer than the width (b). Alternatively, the length (a) of the vertical MTJ cell 504 may be equal to the width (b).

図6は、図5の線6−6で切られた、図5の回路デバイスの断面図である。断面図600は、垂直MTJセル504、ビア512、上部電極510、垂直MTJ積層508、および下部電極506を含む断面で示される、基板502を含む。基板502は、第1の金属間誘電層632、第1のキャップ層634、第2の金属間誘電層636、第2のキャップ層638、第3のキャップ層640、および第3の金属間誘電層642を含む。   6 is a cross-sectional view of the circuit device of FIG. 5 taken along line 6-6 of FIG. Cross-sectional view 600 includes a substrate 502, shown in cross-section including vertical MTJ cell 504, via 512, top electrode 510, vertical MTJ stack 508, and bottom electrode 506. The substrate 502 includes a first intermetal dielectric layer 632, a first cap layer 634, a second intermetal dielectric layer 636, a second cap layer 638, a third cap layer 640, and a third intermetal dielectric. Layer 642 is included.

トレンチが、第2のキャップ層638および第2の金属間誘電層636に形成され、下部電極506、垂直MTJ積層508、および上部電極510を受ける。トレンチは、トレンチ深さ(d)を有し、垂直MTJ積層508は、トレンチ深さ(d)から下部電極506の厚さを引いたものにほぼ等しい深さ(c)を有する。下部ビア644は、底面690から、第1のキャップ層634および第1の金属間誘電層632を通って延び、下部電極506に結合される。ビア512は、基板502の上面680から、第3の金属間誘電層642および第3のキャップ層640を通って延び、上部電極510に結合される。上面680は、実質的に平らな表面であってよい。   A trench is formed in the second cap layer 638 and the second intermetal dielectric layer 636 and receives the lower electrode 506, the vertical MTJ stack 508, and the upper electrode 510. The trench has a trench depth (d), and the vertical MTJ stack 508 has a depth (c) approximately equal to the trench depth (d) minus the thickness of the lower electrode 506. Lower via 644 extends from bottom surface 690 through first cap layer 634 and first intermetal dielectric layer 632 and is coupled to lower electrode 506. Via 512 extends from top surface 680 of substrate 502 through third intermetal dielectric layer 642 and third cap layer 640 and is coupled to upper electrode 510. The top surface 680 may be a substantially flat surface.

ある特定の実施形態では、トレンチ深さ(d)は垂直MTJセル深さ(c)よりも長く、トレンチ深さ(d)と垂直MTJセル深さ(c)はともに、垂直MTJセル504の長さ(a)よりも長い。この特定の例では、磁区522および524は、基板502の上面680と実質的に平行で、かつ側壁に垂直な方向(すなわち、側壁の深さ(d)の方向に垂直に、ではない)に、延びる。   In certain embodiments, the trench depth (d) is greater than the vertical MTJ cell depth (c), and both the trench depth (d) and the vertical MTJ cell depth (c) are the length of the vertical MTJ cell 504. It is longer than (a). In this particular example, the magnetic domains 522 and 524 are in a direction substantially parallel to the top surface 680 of the substrate 502 and perpendicular to the sidewall (ie, not perpendicular to the direction of the sidewall depth (d)). Extend.

図7は、複数のデータビットを記憶するようになされ得る垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル704を有する基板702を含む記憶デバイス700の、特定の例示的な実施形態の上面図である。垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル704は、下部電極706、垂直MTJ積層708、および中心電極710を含む。垂直MTJセル704は、長さ(a)および幅(b)を有し、長さ(a)は幅(b)以上である。基板702は、中心電極710に結合される上部ビア736を含み、下部電極706に結合される下部ビア732を含む。基板702はまた、上部ビア736に結合される第1の配線734を含み、下部ビア732に結合される第2の配線730を含む。基板702は、プロセス開口738を含む。プロセス開口738は、MTJの1つの側壁を除去するための、任意選択のステップである。   FIG. 7 is a top view of a particular exemplary embodiment of a storage device 700 including a substrate 702 having a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 704 that can be configured to store a plurality of data bits. A perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 704 includes a lower electrode 706, a vertical MTJ stack 708, and a center electrode 710. The vertical MTJ cell 704 has a length (a) and a width (b), and the length (a) is equal to or greater than the width (b). The substrate 702 includes an upper via 736 that is coupled to the center electrode 710 and a lower via 732 that is coupled to the lower electrode 706. The substrate 702 also includes a first wiring 734 coupled to the upper via 736 and a second wiring 730 coupled to the lower via 732. The substrate 702 includes a process opening 738. Process opening 738 is an optional step for removing one sidewall of the MTJ.

垂直MTJ積層708は、固定された方向を有する固定磁区を持つピン止め(固定)磁気層、トンネルバリア層、および、書込み電流を介して変更またはプログラムされ得る磁区を有するフリー磁気層を含む。垂直MTJ積層708は、固定磁気層をピン止めするためのリファレンス層も含み得る。ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層708の固定磁気層は、1つまたは複数の層を含み得る。加えて、垂直MTJ積層708は他の層を含み得る。垂直MTJセル704は、第1の磁区722を持つ第1の側壁712、第2の磁区724を持つ第2の側壁714、および第3の磁区726を持つ第3の側壁716を含む。垂直MTJセル704は、第4の磁区872を持つ底壁870も含む(図8参照)。第1の磁区722、第2の磁区724、第3の磁区726、および第4の磁区872は、独立である。ある特定の実施形態では、第1の磁区722、第2の磁区724、第3の磁区726、および第4の磁区872は、それぞれのデータ値を表すように構成される。一般に、磁区722、724、726および872の方向は、記憶されるデータ値により決定される。たとえば、値「0」は第1の方向により表されてよく、値「1」は第2の方向により表されてよい。   The vertical MTJ stack 708 includes a pinned (fixed) magnetic layer having a fixed magnetic domain with a fixed direction, a tunnel barrier layer, and a free magnetic layer having a magnetic domain that can be changed or programmed via a write current. The vertical MTJ stack 708 may also include a reference layer for pinning the pinned magnetic layer. In certain embodiments, the pinned magnetic layer of the perpendicular MTJ stack 708 may include one or more layers. In addition, the vertical MTJ stack 708 can include other layers. The vertical MTJ cell 704 includes a first sidewall 712 having a first magnetic domain 722, a second sidewall 714 having a second magnetic domain 724, and a third sidewall 716 having a third magnetic domain 726. The vertical MTJ cell 704 also includes a bottom wall 870 having a fourth magnetic domain 872 (see FIG. 8). The first magnetic domain 722, the second magnetic domain 724, the third magnetic domain 726, and the fourth magnetic domain 872 are independent. In certain embodiments, the first magnetic domain 722, the second magnetic domain 724, the third magnetic domain 726, and the fourth magnetic domain 872 are configured to represent respective data values. In general, the orientation of magnetic domains 722, 724, 726, and 872 is determined by the stored data value. For example, the value “0” may be represented by a first direction and the value “1” may be represented by a second direction.

図8は、図7の線8−8で切られた、図7の回路デバイス700の断面図800である。図800は、第1の金属間誘電層850、第2の金属間誘電層852、第1のキャップ層854、第3の金属間誘電層856、第2のキャップ層858、第3のキャップ層860、第4の金属間誘電層862、および第5の金属間誘電層864を有する、基板702を含む。基板702は、第1の表面880および第2の表面890を有する。基板702は、垂直MTJ積層708を含む、垂直MTJ構造704も含む。下部電極706、垂直MTJ積層708、および上部電極710は、基板702のトレンチの中に配置される。トレンチは深さ(d)を有する。   8 is a cross-sectional view 800 of the circuit device 700 of FIG. 7 taken along line 8-8 of FIG. FIG. 800 illustrates a first intermetal dielectric layer 850, a second intermetal dielectric layer 852, a first cap layer 854, a third intermetal dielectric layer 856, a second cap layer 858, and a third cap layer. 860, a fourth intermetal dielectric layer 862, and a fifth intermetal dielectric layer 864 is included. The substrate 702 has a first surface 880 and a second surface 890. The substrate 702 also includes a vertical MTJ structure 704 that includes a vertical MTJ stack 708. The lower electrode 706, the vertical MTJ stack 708, and the upper electrode 710 are disposed in the trench of the substrate 702. The trench has a depth (d).

基板702は、第2の表面890に配置される第2の配線730を含む。第2の配線730は下部ビア732に結合され、下部ビア732は、第2の配線730から下部電極706の一部に延びる。基板702はまた、第1の表面880に配置される第1の配線734を含む。第1の配線734は上部ビア736に結合され、上部ビア736は、第1の配線734から中心電極710に延びる。中心電極710は、垂直MTJ積層708に結合される。基板702はプロセス開口738も含み、プロセス開口738は、垂直MTJ構造704の一部を選択的に除去して、プロセス開口738の中に金属間誘電材料を堆積し、その後、化学機械研磨(CMP)プロセスを行うことによって、形成され得る。   The substrate 702 includes a second wiring 730 disposed on the second surface 890. The second wiring 730 is coupled to the lower via 732, and the lower via 732 extends from the second wiring 730 to a part of the lower electrode 706. The substrate 702 also includes first wiring 734 disposed on the first surface 880. The first wiring 734 is coupled to the upper via 736, and the upper via 736 extends from the first wiring 734 to the center electrode 710. Center electrode 710 is coupled to vertical MTJ stack 708. The substrate 702 also includes a process opening 738 that selectively removes a portion of the vertical MTJ structure 704 to deposit an intermetallic dielectric material in the process opening 738, followed by chemical mechanical polishing (CMP). ) Can be formed by performing the process.

ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層708は、第2の磁区724を持つ第2の側壁714を含む。第2の磁区724は、第2のデータ値を表すようになされ得る。垂直MTJ積層708は、第4のデータ値を表すようになされ得る、下部磁区872を有する底壁870も含む。ある特定の例では、データ値は、第1の配線734に電圧を印加し、第2の配線730における電流を参照電流と比較することによって、垂直MTJ積層708から読み取られ得る。あるいは、データ値は、第1の配線734と第2の配線730の1つに書込み電流を加えることによって、垂直MTJ積層708に書き込まれ得る。ある特定の実施形態では、図7に示される垂直MTJ積層708の長さ(a)および幅(b)は、トレンチ深さ(d)よりも長く、第2の側壁714が持つ磁区724は、基板702の第1の表面880と実質的に平行で、かつ、水平な方向に(すなわち、側壁の深さ(d)の方向に垂直に、ではなく、側壁の長さ(a)の方向に)、延びる。   In certain embodiments, the vertical MTJ stack 708 includes a second sidewall 714 having a second magnetic domain 724. The second magnetic domain 724 can be made to represent a second data value. The vertical MTJ stack 708 also includes a bottom wall 870 having a lower magnetic domain 872 that can be made to represent a fourth data value. In one particular example, the data value can be read from the vertical MTJ stack 708 by applying a voltage to the first wire 734 and comparing the current in the second wire 730 with the reference current. Alternatively, the data value can be written to the vertical MTJ stack 708 by applying a write current to one of the first wiring 734 and the second wiring 730. In one particular embodiment, the length (a) and width (b) of the vertical MTJ stack 708 shown in FIG. 7 is longer than the trench depth (d), and the magnetic domain 724 of the second sidewall 714 is: Substantially parallel to the first surface 880 of the substrate 702 and in a horizontal direction (ie, perpendicular to the direction of the sidewall depth (d), but not in the direction of the sidewall length (a) ) And extend.

図9は、図7の線9−9で切られた、図7の回路デバイス700の断面図900である。図900は、第1の金属間誘電層850、第2の金属間誘電層852、第1のキャップ層854、第3の金属間誘電層856、第2のキャップ層858、第3のキャップ層860、第4の金属間誘電層862、および第5の金属間誘電層864を有する、基板702を含む。基板702は、第1の表面880および第2の表面890を有する。基板702は、下部電極706、垂直MTJ積層708、および中心電極710を有する、垂直MTJ構造704を含む。基板702はまた、第1の表面880に配置されパターニングされる第1の配線734を含む。第1の配線734は上部ビア736に結合され、上部ビア736は、第1の配線734から中心電極710に延びる。基板702はまた、第2の表面890における第2の配線730を含む。第2の配線730は下部ビア732に結合され、下部ビア732は、第2の配線730から下部電極706の一部に延びる。垂直MTJ積層708は、第1の磁区726を持つ第1の側壁716、第3の磁区722を持つ第3の側壁712、および下部磁区872を持つ底壁870を含む。この特定の観点では、磁区726および722は水平方向に(すなわち、側壁の深さ(d)の方向に垂直に、ではなく、側壁の長さ(a)の方向に)向き、下部磁区872は垂直方向に(すなわち、側壁の長さ(a)の方向に水平に、ではなく、側壁の深さ(d)の方向に)向く。   FIG. 9 is a cross-sectional view 900 of the circuit device 700 of FIG. 7 taken along line 9-9 of FIG. FIG. 900 illustrates a first intermetal dielectric layer 850, a second intermetal dielectric layer 852, a first cap layer 854, a third intermetal dielectric layer 856, a second cap layer 858, and a third cap layer. 860, a fourth intermetal dielectric layer 862, and a fifth intermetal dielectric layer 864 is included. The substrate 702 has a first surface 880 and a second surface 890. The substrate 702 includes a vertical MTJ structure 704 having a bottom electrode 706, a vertical MTJ stack 708, and a center electrode 710. The substrate 702 also includes first wiring 734 that is disposed and patterned on the first surface 880. The first wiring 734 is coupled to the upper via 736, and the upper via 736 extends from the first wiring 734 to the center electrode 710. The substrate 702 also includes second wiring 730 on the second surface 890. The second wiring 730 is coupled to the lower via 732, and the lower via 732 extends from the second wiring 730 to a part of the lower electrode 706. The vertical MTJ stack 708 includes a first sidewall 716 having a first magnetic domain 726, a third sidewall 712 having a third magnetic domain 722, and a bottom wall 870 having a lower magnetic domain 872. In this particular aspect, the magnetic domains 726 and 722 are oriented horizontally (ie, not perpendicular to the direction of the sidewall depth (d), but in the direction of the sidewall length (a)), and the lower domain 872 is Orients vertically (ie, horizontally in the direction of sidewall length (a), but not in the direction of sidewall depth (d)).

ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層708は、最大で4つの固有のデータ値を記憶するようになされ得る。第1のデータ値は第1の磁区722により表すことができ、第2のデータ値は第2の磁区724により表すことができ、第3のデータ値は第3の磁区726により表すことができ、第4のデータ値は下部磁区872により表すことができる。別の特定の実施形態では、第4の磁区を持つ第4の側壁が含まれてもよく、第4の磁区は、第5のデータ値を表し得る。   In certain embodiments, the vertical MTJ stack 708 can be configured to store up to four unique data values. The first data value can be represented by the first magnetic domain 722, the second data value can be represented by the second magnetic domain 724, and the third data value can be represented by the third magnetic domain 726. The fourth data value can be represented by the lower magnetic domain 872. In another particular embodiment, a fourth sidewall having a fourth magnetic domain may be included, and the fourth magnetic domain may represent a fifth data value.

図10は、複数のビットのような複数のデータ値を記憶するようになされ得る、ディープトレンチの中の垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル1004を有する基板1002を含む記憶デバイス1000の、特定の例示的な実施形態の上面図である。垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル1004は、下部電極1006、垂直MTJ積層1008、および中心電極1010を含む。垂直MTJセル1004は、長さ(a)および幅(b)を含み、長さ(a)は幅(b)以上である。基板1002は、中心電極1010に結合される上部ビア1036を含み、下部電極1006に結合される下部ビア1032を含む。基板1002はまた、下部ビア1032に結合される第1の配線1034を含み、上部ビア1036に結合される第2の配線1030を含む。基板1002は、プロセス開口1038を含む。   FIG. 10 is a specific illustration of a storage device 1000 that includes a substrate 1002 having a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 1004 in a deep trench that can be configured to store multiple data values, such as multiple bits. FIG. 6 is a top view of an exemplary embodiment. A perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 1004 includes a lower electrode 1006, a vertical MTJ stack 1008, and a center electrode 1010. The vertical MTJ cell 1004 includes a length (a) and a width (b), and the length (a) is equal to or greater than the width (b). The substrate 1002 includes an upper via 1036 that is coupled to the center electrode 1010 and a lower via 1032 that is coupled to the lower electrode 1006. The substrate 1002 also includes a first interconnect 1034 coupled to the lower via 1032 and a second interconnect 1030 coupled to the upper via 1036. The substrate 1002 includes a process opening 1038.

垂直MTJ積層1008は、固定された方向を有する固定磁区を持ちリファレンス層によりピン止めされ得るピン止め(固定)磁気層、トンネルバリア層、および、書込み電流を介して変更またはプログラムされ得る磁区を有するフリー磁気層を含む。ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層1008の固定磁気層は、1つまたは複数の層を含み得る。加えて、垂直MTJ積層1008は他の層を含み得る。垂直MTJセル1004は、第1の磁区1022を持つ第1の側壁1012、第2の磁区1024を持つ第2の側壁1014、および第3の磁区1026を持つ第3の側壁1016を含む。垂直MTJセル1004は、第4の磁区1172を持つ底壁1170も含み得る(図11参照)。第1の磁区1022、第2の磁区1024、第3の磁区1026、および第4の磁区1172は、独立である。ある特定の実施形態では、第1の磁区1022、第2の磁区1024、第3の磁区1026、および第4の磁区1172は、それぞれのデータ値を表すように構成される。一般に、磁区1022、1024、1026および1172の方向は、記憶されるデータ値により決定される。たとえば、値「0」は第1の方向により表されてよく、値「1」は第2の方向により表されてよい。   The vertical MTJ stack 1008 has a pinned (fixed) magnetic layer that has a fixed magnetic domain with a fixed direction and can be pinned by a reference layer, a tunnel barrier layer, and a magnetic domain that can be changed or programmed via a write current. Includes a free magnetic layer. In certain embodiments, the pinned magnetic layer of the perpendicular MTJ stack 1008 may include one or more layers. In addition, the vertical MTJ stack 1008 may include other layers. The vertical MTJ cell 1004 includes a first side wall 1012 having a first magnetic domain 1022, a second side wall 1014 having a second magnetic domain 1024, and a third side wall 1016 having a third magnetic domain 1026. The vertical MTJ cell 1004 may also include a bottom wall 1170 having a fourth magnetic domain 1172 (see FIG. 11). The first magnetic domain 1022, the second magnetic domain 1024, the third magnetic domain 1026, and the fourth magnetic domain 1172 are independent. In certain embodiments, the first magnetic domain 1022, the second magnetic domain 1024, the third magnetic domain 1026, and the fourth magnetic domain 1172 are configured to represent respective data values. In general, the orientation of the magnetic domains 1022, 1024, 1026 and 1172 is determined by the stored data values. For example, the value “0” may be represented by a first direction and the value “1” may be represented by a second direction.

図11は、図10の線11−11で切られた、図10の回路デバイス1000の断面図1100である。図1100は、第1の金属間誘電層1150、第2の金属間誘電層1152、第1のキャップ層1154、第3の金属間誘電層1156、第2のキャップ層1158、第3のキャップ層1160、第4の金属間誘電層1162、および第5の金属間誘電層1164を有する、基板1002を含む。基板1002は、第1の表面1180および第2の表面1190を有する。基板1002は、垂直MTJ積層1008を含む、垂直MTJ構造1004も含む。下部電極1006、垂直MTJ積層1008、および上部電極1010は、基板1002のトレンチの中に配置される。トレンチは深さ(d)を有する。この例では、深さ(d)は側壁1014の幅(b)よりも長い。   FIG. 11 is a cross-sectional view 1100 of circuit device 1000 of FIG. 10 taken along line 11-11 of FIG. FIG. 1100 shows a first intermetal dielectric layer 1150, a second intermetal dielectric layer 1152, a first cap layer 1154, a third intermetal dielectric layer 1156, a second cap layer 1158, and a third cap layer. A substrate 1002 having 1160, a fourth intermetal dielectric layer 1162, and a fifth intermetal dielectric layer 1164 is included. The substrate 1002 has a first surface 1180 and a second surface 1190. The substrate 1002 also includes a vertical MTJ structure 1004 that includes a vertical MTJ stack 1008. The lower electrode 1006, the vertical MTJ stack 1008, and the upper electrode 1010 are disposed in the trench of the substrate 1002. The trench has a depth (d). In this example, the depth (d) is longer than the width (b) of the side wall 1014.

基板1002は、第1の表面1180に配置されパターニングされる第2の配線1030を含む。第2の配線1030は上部ビア1036に結合され、上部ビア1036は、第2の配線1030から中心電極1010に延びる。中心電極1010は、垂直MTJ積層1008に結合される。基板1002はまた、第2の表面1190に配置される第1の配線1034を含む。第1の配線1034は下部ビア1032に結合され、下部ビア1032は、第1の配線1034から下部電極1006の一部に延びる。基板1002はさらにプロセス開口1038を含み、プロセス開口1038は、垂直MTJ積層1008の一部を選択的に除去して、プロセス開口1038の中に金属間誘電材料を堆積し、その後、化学機械研磨(CMP)プロセスを行うことによって、形成され得る。   The substrate 1002 includes a second wiring 1030 that is disposed on the first surface 1180 and patterned. Second wiring 1030 is coupled to upper via 1036, and upper via 1036 extends from second wiring 1030 to center electrode 1010. Center electrode 1010 is coupled to vertical MTJ stack 1008. The substrate 1002 also includes a first wiring 1034 disposed on the second surface 1190. The first wiring 1034 is coupled to the lower via 1032, and the lower via 1032 extends from the first wiring 1034 to a part of the lower electrode 1006. The substrate 1002 further includes a process opening 1038 that selectively removes a portion of the vertical MTJ stack 1008 to deposit an intermetallic dielectric material in the process opening 1038, followed by chemical mechanical polishing ( It can be formed by performing a CMP) process.

ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層1008は、第2の磁区1024を持つ第2の側壁1014を含む。第2の磁区1024は、第2のデータ値を表すようになされ得る。垂直MTJ積層1008は、第4のデータ値を表すようになされ得る、下部磁区1172を有する底壁1170も含む。ある特定の例では、データ値は、第2の配線1030に電圧を印加し、第1の配線1034における電流を参照電流と比較することによって、垂直MTJ積層1008から読み取られ得る。あるいは、データ値は、第1の配線1034と第2の配線1030との間に書込み電流を加えることによって、垂直MTJ積層1008に書き込まれ得る。ある特定の実施形態では、図10に示される垂直MTJ積層1008の長さ(a)および幅(b)は、トレンチ深さ(d)よりも短く、第2の側壁1014が持つ磁区1024は、基板1002の第1の表面1180と実質的に平行に、かつ長さ(a)の方向に、延びる。   In certain embodiments, the vertical MTJ stack 1008 includes a second sidewall 1014 having a second magnetic domain 1024. The second magnetic domain 1024 can be adapted to represent a second data value. The vertical MTJ stack 1008 also includes a bottom wall 1170 having a lower magnetic domain 1172 that can be made to represent a fourth data value. In one particular example, the data value can be read from the vertical MTJ stack 1008 by applying a voltage to the second wire 1030 and comparing the current in the first wire 1034 with a reference current. Alternatively, the data value can be written to the vertical MTJ stack 1008 by applying a write current between the first wiring 1034 and the second wiring 1030. In one particular embodiment, the length (a) and width (b) of the vertical MTJ stack 1008 shown in FIG. 10 is shorter than the trench depth (d), and the magnetic domain 1024 possessed by the second sidewall 1014 is: Extending substantially parallel to the first surface 1180 of the substrate 1002 and in the direction of length (a).

図12は、図10の線12−12で切られた、図10の回路デバイス1000の断面図1200である。図1200は、第1の金属間誘電層1150、第2の金属間誘電層1152、第1のキャップ層1154、第3の金属間誘電層1156、第2のキャップ層1158、第3のキャップ層1160、第4の金属間誘電層1162、および第5の金属間誘電層1164を有する、基板1002を含む。基板1002は、第1の表面1180および第2の表面1190を有する。基板1002は、下部電極1006、垂直MTJ積層1008、および中心電極1010を有する、垂直MTJ構造1004を含む。基板1002はまた、第2の表面1190に配置されパターニングされる第1の配線1034を含む。第1の配線1034は下部ビア1032に結合され、下部ビア1032は、第1の配線1034から下部電極1006の一部に延びる。基板1002はまた、第1の表面1180における第2の配線1030を含む。第2の配線1030は上部ビア1036に結合され、上部ビア1036は、第2の配線1030から中心電極1010に延びる。   12 is a cross-sectional view 1200 of the circuit device 1000 of FIG. 10 taken along line 12-12 of FIG. FIG. 1200 illustrates a first intermetal dielectric layer 1150, a second intermetal dielectric layer 1152, a first cap layer 1154, a third intermetal dielectric layer 1156, a second cap layer 1158, and a third cap layer. A substrate 1002 having 1160, a fourth intermetal dielectric layer 1162, and a fifth intermetal dielectric layer 1164 is included. The substrate 1002 has a first surface 1180 and a second surface 1190. The substrate 1002 includes a vertical MTJ structure 1004 having a bottom electrode 1006, a vertical MTJ stack 1008, and a center electrode 1010. The substrate 1002 also includes first wiring 1034 that is disposed and patterned on the second surface 1190. The first wiring 1034 is coupled to the lower via 1032, and the lower via 1032 extends from the first wiring 1034 to a part of the lower electrode 1006. The substrate 1002 also includes a second wiring 1030 on the first surface 1180. Second wiring 1030 is coupled to upper via 1036, and upper via 1036 extends from second wiring 1030 to center electrode 1010.

垂直MTJ積層1008は、第1の磁区1026を持つ第1の側壁1016、第3の磁区1022を持つ第3の側壁1012、および下部磁区1172を持つ底壁1170を含む。この特定の観点では、トレンチ深さ(d)は垂直MTJ積層1008の長さ(a)および幅(b)よりも長く、第1の磁区1022および第3の磁区1026は実質的に水平の方向に(すなわち、側壁の深さ(d)の方向に垂直に、ではなく、側壁の長さ(a)の方向に)延び、第4の磁区1072は、実質的に垂直の方向に(すなわち、側壁の長さ(a)の方向に水平に、ではなく、側壁の深さ(d)の方向に)延びる。   The vertical MTJ stack 1008 includes a first sidewall 1016 having a first magnetic domain 1026, a third sidewall 1012 having a third magnetic domain 1022, and a bottom wall 1170 having a lower magnetic domain 1172. In this particular aspect, the trench depth (d) is longer than the length (a) and width (b) of the vertical MTJ stack 1008, and the first magnetic domain 1022 and the third magnetic domain 1026 are in a substantially horizontal direction. (I.e., perpendicular to the direction of the sidewall depth (d), but not in the direction of the sidewall length (a)), the fourth magnetic domain 1072 extends in a substantially perpendicular direction (i.e., It extends horizontally in the direction of the side wall length (a) but not in the direction of the side wall depth (d).

ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層1008は、最大で4つの固有のデータ値を記憶するようになされ得る。第1のデータ値は第1の磁区1022により表すことができ、第2のデータ値は第2の磁区1024により表すことができ、第3のデータ値は第3の磁区1026により表すことができ、第4のデータ値は下部磁区1172により表すことができる。別の特定の実施形態では、第4の磁区を持つ第4の側壁が含まれてもよく、第4の磁区は、第5のデータ値を表し得る。   In certain embodiments, the vertical MTJ stack 1008 may be configured to store up to four unique data values. The first data value can be represented by the first magnetic domain 1022, the second data value can be represented by the second magnetic domain 1024, and the third data value can be represented by the third magnetic domain 1026. The fourth data value can be represented by the lower magnetic domain 1172. In another particular embodiment, a fourth sidewall having a fourth magnetic domain may be included, and the fourth magnetic domain may represent a fifth data value.

図13は、キャップ薄膜層の堆積と、ビアのフォトエッチング、フォトレジストの剥離、ビアのフィリング、およびビアの化学機械研磨(CMP)プロセスとの後の、回路基板1300の断面図である。回路基板1300は、第1の金属間誘電層1301、配線1303、第1の金属間誘電層1301の上部に配置される第2の金属間誘電層1302、および金属間誘電層1302の上部に配置されるキャップ薄膜層1304を含む。ある特定の実施形態では、フォトレジスト層は、キャップ薄膜層1304にフォトレジストをスピンコートすることによって、塗布された。フォトエッチングプロセスが、キャップ層1304および金属間誘電体1302にトレンチパターンを画定するために、適用された。フォトレジスト層は、キャップ薄膜層1304および金属間誘電層1302を貫通する開口またはビア1306を露出するようにエッチングした後で、剥離された。導電性材料またはビアフィリング材料1308が開口1306に堆積され、ビアのCMPプロセスが、回路基板1300を研磨するために実行された。   FIG. 13 is a cross-sectional view of a circuit board 1300 after deposition of a cap thin film layer and via photoetching, photoresist stripping, via filling, and via chemical mechanical polishing (CMP) processes. The circuit board 1300 is disposed on the first intermetal dielectric layer 1301, the wiring 1303, the second intermetal dielectric layer 1302 disposed on the first intermetal dielectric layer 1301, and the intermetal dielectric layer 1302. The cap thin film layer 1304 is included. In certain embodiments, the photoresist layer was applied by spin coating the photoresist to the cap film layer 1304. A photo-etching process was applied to define the trench pattern in the cap layer 1304 and the intermetal dielectric 1302. The photoresist layer was stripped after etching to expose openings or vias 1306 through the cap thin film layer 1304 and the intermetal dielectric layer 1302. A conductive or via filling material 1308 was deposited in the opening 1306 and a via CMP process was performed to polish the circuit board 1300.

図14は、金属間誘電層の堆積、キャップ薄膜の堆積、トレンチのフォトエッチングプロセス、トレンチのフォトレジストの剥離、下部電極の堆積、垂直磁気トンネル接合(MTJ)薄膜の堆積、上部電極の堆積、およびリバースフォトエッチングプロセスの後の、複数のトレンチおよび複数の垂直MTJ構造を示す、図13の回路基板1300の断面図1400である。回路基板1300は、第2の金属間誘電層1302、キャップ薄膜層1304、およびビアフィリング材料1308を含む。第3の金属間誘電層1410は、キャップ薄膜層1304に堆積される。第2のキャップ薄膜層1412は、第3の金属間誘電層1410に堆積される。トレンチ1414は、たとえば、トレンチのフォトエッチングおよび洗浄プロセスを実行することによって、キャップ薄膜層1412および第3の金属間誘電層1410の中に画定される。垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル1416が、トレンチ1414の中に堆積される。垂直MTJセル1416は、下部のビアフィリング材料1308に結合される下部電極1418、下部電極1418に結合される垂直MTJ積層1420、および、垂直MTJ積層1420に結合される上部電極1422を含む。フォトレジスト層1424が、上部電極1422上でパターニングされる。リバースフォトエッチングプロセスが、フォトレジスト層1424、上部電極1422、垂直MTJ積層1420、および下部電極1418に適用され、トレンチ1414の中にない、余剰の材料を除去する。図14に示されるように、複数のトレンチ1414は、キャップ薄膜層1412および第3の金属間誘電層1410の中に画定されてよく、垂直MTJセル1416は、各トレンチ1414に堆積され得る。   14 illustrates the deposition of an intermetal dielectric layer, the deposition of a cap thin film, the trench photo-etching process, the stripping of the photoresist in the trench, the deposition of the bottom electrode, the deposition of the perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) thin film, the deposition of the top electrode, And FIG. 14 is a cross-sectional view 1400 of the circuit board 1300 of FIG. 13 showing multiple trenches and multiple vertical MTJ structures after a reverse photoetch process. The circuit board 1300 includes a second intermetal dielectric layer 1302, a cap thin film layer 1304, and a via filling material 1308. A third intermetal dielectric layer 1410 is deposited on the cap thin film layer 1304. A second cap thin film layer 1412 is deposited on the third intermetal dielectric layer 1410. The trench 1414 is defined in the cap thin film layer 1412 and the third intermetal dielectric layer 1410, for example, by performing a trench photoetching and cleaning process. A perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 1416 is deposited in the trench 1414. The vertical MTJ cell 1416 includes a lower electrode 1418 coupled to the lower via filling material 1308, a vertical MTJ stack 1420 coupled to the lower electrode 1418, and an upper electrode 1422 coupled to the vertical MTJ stack 1420. A photoresist layer 1424 is patterned on the upper electrode 1422. A reverse photoetch process is applied to the photoresist layer 1424, the top electrode 1422, the vertical MTJ stack 1420, and the bottom electrode 1418 to remove excess material that is not in the trench 1414. As shown in FIG. 14, a plurality of trenches 1414 may be defined in the cap thin film layer 1412 and the third intermetal dielectric layer 1410, and a vertical MTJ cell 1416 may be deposited in each trench 1414.

この特定の例では、トレンチ1414は、トレンチ深さ(d)を有するように画定される。下部電極1418の厚さは、関連する垂直MTJセル深さ(c)を有するように画定される。ある特定の例では、垂直MTJセル深さ(c)は、トレンチ深さ(d)から下部電極1418の厚さを引いたものにほぼ等しい。   In this particular example, trench 1414 is defined to have a trench depth (d). The thickness of the bottom electrode 1418 is defined to have an associated vertical MTJ cell depth (c). In one particular example, the vertical MTJ cell depth (c) is approximately equal to the trench depth (d) minus the thickness of the bottom electrode 1418.

一般に、トレンチ1414の中に垂直MTJセル1416を作ることによって、トレンチ1414の寸法が、垂直MTJセル1416の寸法を画定する。さらに、トレンチ1414は垂直MTJセル1416の寸法を画定するので、垂直MTJセル1416は、クリティカルで高価なフォトエッチングプロセスを垂直MTJセル1416に対して実行することなく形成することができ、したがって、垂直MTJセル1416に関連する、酸化、角の丸まり、および他の侵食に関連する問題を減らす。   In general, by creating vertical MTJ cell 1416 in trench 1414, the dimensions of trench 1414 define the dimensions of vertical MTJ cell 1416. Further, since trench 1414 defines the dimensions of vertical MTJ cell 1416, vertical MTJ cell 1416 can be formed without performing a critical and expensive photo-etching process on vertical MTJ cell 1416, and therefore vertical Reduce problems associated with oxidation, rounded corners, and other erosion associated with MTJ cell 1416.

図15は、リバースフォトレジスト剥離および、キャップ薄膜層で止まるMTJ CMPプロセスの後の、図14の回路基板1300の断面図1500である。回路基板1300は、第1の金属間誘電層1301、配線1303、第2の金属間誘電層1302、および第1のキャップ層1304を含む。断面図1500は、第2の金属間誘電層1410、第2のキャップ層1412、および垂直MTJ構造1416を含む。垂直MTJ構造1416は、垂直MTJセル深さ(d)を有し、トレンチ深さ(d)を有するトレンチ1414の中に形成される。垂直MTJ構造1416は、ビアフィリング材料1308と結合される下部電極1418、垂直MTJ積層1420、および上部電極1422を含む。フォトレジスト剥離プロセスが適用され、垂直MTJの化学機械研磨(CMP)プロセスが、垂直MTJ構造1416の一部を除去して、実質的に平らな表面1530を生成するために、適用される。CMPプロセスは、第2のキャップ薄膜層1412で止まる。   FIG. 15 is a cross-sectional view 1500 of the circuit board 1300 of FIG. 14 after reverse photoresist stripping and an MTJ CMP process that stops at the cap film layer. The circuit board 1300 includes a first intermetal dielectric layer 1301, a wiring 1303, a second intermetal dielectric layer 1302, and a first cap layer 1304. Cross-sectional view 1500 includes a second intermetal dielectric layer 1410, a second cap layer 1412, and a vertical MTJ structure 1416. The vertical MTJ structure 1416 has a vertical MTJ cell depth (d) and is formed in a trench 1414 having a trench depth (d). The vertical MTJ structure 1416 includes a lower electrode 1418, a vertical MTJ stack 1420, and an upper electrode 1422 that are coupled to the via filling material 1308. A photoresist strip process is applied and a vertical MTJ chemical mechanical polishing (CMP) process is applied to remove a portion of the vertical MTJ structure 1416 to produce a substantially flat surface 1530. The CMP process stops at the second cap film layer 1412.

図16は、フォトレジストがスピンコートされてパターニングされ、垂直MTJの側壁のエッチングが実行された後の、図15の線16−16で切られた、図15の回路基板1300の断面図1600である。側壁のエッチングは、任意選択のプロセスのステップである。回路基板1300は、第1の金属間誘電層1301、配線1303、第2の金属間誘電層1302、第1のキャップ薄膜層1304、およびビアフィリング材料1308を含む。第3の金属間誘電層1410および第2のキャップ層1412は、第1のキャップ薄膜層1304の上に堆積される。トレンチ1414は、第2のキャップ層1412および第2の金属間誘電層1410の中に画定される。下部電極1418、垂直MTJ積層1420、および上部電極1422は、トレンチ1414の中に形成される。化学機械研磨(CMP)プロセスが、実質的に平らな表面1530を生成するために適用される。フォトレジスト層1646がスピンコートされ、プロセスパターン開口1652が、フォトエッチングプロセスを用いて画定される。フォトエッチングプロセスは、垂直MTJセル1416から側壁を取り除き、(上から見て)実質的にU字形の垂直MTJセル1416を得る。   FIG. 16 is a cross-sectional view 1600 of circuit board 1300 of FIG. 15 taken along line 16-16 of FIG. 15 after photoresist has been spin-coated and patterned and vertical MTJ sidewall etching has been performed. is there. Sidewall etching is an optional process step. The circuit board 1300 includes a first intermetal dielectric layer 1301, a wiring 1303, a second intermetal dielectric layer 1302, a first cap thin film layer 1304, and a via filling material 1308. A third intermetal dielectric layer 1410 and a second cap layer 1412 are deposited on the first cap thin film layer 1304. A trench 1414 is defined in the second cap layer 1412 and the second intermetal dielectric layer 1410. The lower electrode 1418, the vertical MTJ stack 1420, and the upper electrode 1422 are formed in the trench 1414. A chemical mechanical polishing (CMP) process is applied to produce a substantially flat surface 1530. Photoresist layer 1646 is spin coated and process pattern openings 1652 are defined using a photoetch process. The photo-etching process removes the sidewalls from the vertical MTJ cell 1416, resulting in a substantially U-shaped vertical MTJ cell 1416 (viewed from above).

図17は、プロセス開口1652の中への金属間誘電材料の堆積、化学機械研磨(CMP)プロセスの実行、および第3のキャップ層1644の堆積の後の、図16に示される回路基板1300の断面図1700である。回路基板1300は、第1の金属間誘電層1301、配線1303、第2の金属間誘電層1302、第1のキャップ薄膜層1304、およびビアフィリング材料1308を含む。第3の金属間誘電層1410および第2のキャップ層1412は、第1のキャップ薄膜層1304の上に堆積される。トレンチ1414は、第2のキャップ層1412および第2の金属間誘電層1410の中に画定される。下部電極1418、垂直MTJ積層1420、および上部電極1422は、トレンチ1414の中に形成される。化学機械研磨(CMP)プロセスが、実質的に平らな表面1530を回復するために適用される。プロセス開口1652が、フォトエッチングプロセスを用いて画定される。フォトエッチングプロセスは、垂直MTJセル1416から側壁を取り除き、(上から見て)実質的にU字形の垂直MTJセル1416を得る。プロセス開口1652が、金属間誘電材料1748により充填され、CMPプロセスが、実質的に平らな表面1530を回復するために実行され、第3のキャップ層1644が、実質的に平らな表面1530の上に堆積される。   FIG. 17 illustrates the circuit board 1300 shown in FIG. 16 after deposition of intermetal dielectric material into the process opening 1652, execution of a chemical mechanical polishing (CMP) process, and deposition of the third cap layer 1644. FIG. The circuit board 1300 includes a first intermetal dielectric layer 1301, a wiring 1303, a second intermetal dielectric layer 1302, a first cap thin film layer 1304, and a via filling material 1308. A third intermetal dielectric layer 1410 and a second cap layer 1412 are deposited on the first cap thin film layer 1304. A trench 1414 is defined in the second cap layer 1412 and the second intermetal dielectric layer 1410. The lower electrode 1418, the vertical MTJ stack 1420, and the upper electrode 1422 are formed in the trench 1414. A chemical mechanical polishing (CMP) process is applied to recover the substantially flat surface 1530. A process opening 1652 is defined using a photoetching process. The photo-etching process removes the sidewalls from the vertical MTJ cell 1416, resulting in a substantially U-shaped vertical MTJ cell 1416 (viewed from above). Process opening 1652 is filled with intermetal dielectric material 1748 and a CMP process is performed to recover substantially flat surface 1530 and third cap layer 1644 is overlying substantially flat surface 1530. It is deposited on.

図18は、他の回路に結合され得る、回路基板1300の断面図1800である。回路基板1300は、第1の金属間誘電層1301、配線1303、第2の金属間誘電層1302、第1のキャップ薄膜層1304、およびビアフィリング材料1308を含む。第3の金属間誘電層1410および第2のキャップ層1412は、第1のキャップ薄膜層1304の上に堆積される。トレンチ1414は、第2のキャップ層1412および第2の金属間誘電層1410の中に画定される。下部電極1418、垂直MTJ積層1420、および上部電極1422は、トレンチ1414の中に形成される。化学機械研磨(CMP)プロセスが、実質的に平らな表面1530を回復するために適用される。第3のキャップ層1644および第4の金属間誘電層1646が、堆積される。フォトエッチングプロセスが、第4の金属間誘電層1646および第3のキャップ層1644を貫通するビア1860を画定するために、適用される。ビア1860は導電性材料で充填され、ビアの化学機械研磨プロセスが適用される。金属配線1862が、第4の金属間誘電層1646の上に堆積されてパターニングされ、第5の金属間誘電層1848が堆積される。ダマシンプロセスが用いられる場合、ビアおよび金属配線が組み合わされて、トレンチのパターニング、銅メッキ、ならびに、第5の金属間誘電層1848および第4の金属間誘電層1646における銅のCMPが行われ得る。ある特定の実施形態では、別の化学機械研磨プロセスが、回路デバイスを研磨するために実行され得る。この段階において、配線1303および配線1862が他の回路に結合されてよく、垂直MTJセル1416が、1つまたは複数のデータ値を記憶するために用いられてよい。   FIG. 18 is a cross-sectional view 1800 of a circuit board 1300 that may be coupled to other circuits. The circuit board 1300 includes a first intermetal dielectric layer 1301, a wiring 1303, a second intermetal dielectric layer 1302, a first cap thin film layer 1304, and a via filling material 1308. A third intermetal dielectric layer 1410 and a second cap layer 1412 are deposited on the first cap thin film layer 1304. A trench 1414 is defined in the second cap layer 1412 and the second intermetal dielectric layer 1410. The lower electrode 1418, the vertical MTJ stack 1420, and the upper electrode 1422 are formed in the trench 1414. A chemical mechanical polishing (CMP) process is applied to recover the substantially flat surface 1530. A third cap layer 1644 and a fourth intermetal dielectric layer 1646 are deposited. A photoetching process is applied to define a via 1860 through the fourth intermetal dielectric layer 1646 and the third cap layer 1644. The via 1860 is filled with a conductive material and a via chemical mechanical polishing process is applied. Metal interconnect 1862 is deposited and patterned on the fourth intermetal dielectric layer 1646, and a fifth intermetal dielectric layer 1848 is deposited. When a damascene process is used, vias and metal interconnects can be combined to perform trench patterning, copper plating, and copper CMP in fifth intermetal dielectric layer 1848 and fourth intermetal dielectric layer 1646. . In certain embodiments, another chemical mechanical polishing process may be performed to polish the circuit device. At this stage, the wiring 1303 and the wiring 1862 may be coupled to other circuits and the vertical MTJ cell 1416 may be used to store one or more data values.

図19は、図1の垂直磁気トンネル接合(MTJ)セル150のような、垂直MTJセルを形成する方法の、ある特定の例示的な実施形態の流れ図である。1902において、図1の配線103のような金属層が、図1のデバイス基板105のようなデバイス基板を覆って形成される。1904に進み、ビアが形成され、金属層と接触する。ある特定の実施形態では、ビアは、フォトエッチングプロセス、フォトレジスト剥離プロセス、および洗浄プロセスを用いて形成されてよく、図1の導電性材料108のような導電性材料により充填される。1906に移り、図3の第2の誘電層336のような誘電層が、ビアの上に追加される。1908へ続き、図1のトレンチ114のようなトレンチ領域が、誘電層の一部をエッチングすることにより形成される。1910に進み、トレンチ領域を形成した後、図1の垂直MTJ積層152のような垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造が、トレンチ領域に堆積される。垂直MTJ構造は、図1のフリー層154のようなフリー層と、図1の固定層158のような固定層との間に、図1のバリア層156のようなバリア層を含み得る。ある特定の実施形態では、固定層とフリー層の少なくとも1つは、トレンチの底面に近接し、トレンチの底面に実質的に垂直な磁気モーメントを有する。垂直MTJ構造はさらに、トレンチの底面に実質的に垂直な磁気モーメントを有しトレンチの底面に近接する、図1のリファレンス層178のようなリファレンス層を含み得る。1912に進み、図1の上部電極170のような上部電極が、垂直MTJ構造を覆って形成される。   FIG. 19 is a flow diagram of a particular exemplary embodiment of a method of forming a vertical MTJ cell, such as the perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell 150 of FIG. At 1902, a metal layer such as the wiring 103 of FIG. 1 is formed over a device substrate such as the device substrate 105 of FIG. Proceeding to 1904, vias are formed and contact the metal layer. In certain embodiments, the vias may be formed using a photo etch process, a photoresist strip process, and a cleaning process, and are filled with a conductive material, such as the conductive material 108 of FIG. Moving to 1906, a dielectric layer, such as the second dielectric layer 336 of FIG. 3, is added over the via. Continuing to 1908, a trench region, such as trench 114 of FIG. 1, is formed by etching a portion of the dielectric layer. Proceeding to 1910, after forming the trench region, a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure, such as the vertical MTJ stack 152 of FIG. 1, is deposited in the trench region. The vertical MTJ structure may include a barrier layer such as the barrier layer 156 of FIG. 1 between a free layer such as the free layer 154 of FIG. 1 and a fixed layer such as the fixed layer 158 of FIG. In certain embodiments, at least one of the pinned layer and the free layer has a magnetic moment proximate to the bottom surface of the trench and substantially perpendicular to the bottom surface of the trench. The vertical MTJ structure may further include a reference layer, such as reference layer 178 of FIG. 1, having a magnetic moment substantially perpendicular to the bottom surface of the trench and proximate to the bottom surface of the trench. Proceeding to 1912, an upper electrode, such as the upper electrode 170 of FIG. 1, is formed over the vertical MTJ structure.

1914に移り、垂直MTJ構造が研磨され得る。研磨は、垂直MTJ構造にフォトエッチングプロセスを実行することなく、実行され得る。研磨プロセスは、化学機械研磨(CMP)プロセスを実行して、トレンチの外側の電極材料の一部を含む、余剰の材料を除去するステップを含み得る。ある特定の実施形態では、垂直MTJ構造を研磨するステップは、堆積された材料を基板から除去し、実質的に平らな表面を画定するステップを含み得る。   Moving to 1914, the vertical MTJ structure can be polished. Polishing can be performed without performing a photo-etching process on the vertical MTJ structure. The polishing process may include performing a chemical mechanical polishing (CMP) process to remove excess material, including a portion of the electrode material outside the trench. In certain embodiments, polishing the vertical MTJ structure may include removing the deposited material from the substrate and defining a substantially flat surface.

1916へ続き、図1の磁区109のような、固定層が持つ磁場の方向を定めるために、磁気アニーリングプロセスが実行され得る。磁気アニーリングプロセスは、3次元(3D)のアニーリングプロセスであってよい。すべての垂直MTJ層は、磁気アニーリングプロセスを介してアニーリングされてよく、書込み電流によりフリー層を調整可能にしつつ、固定層をピン止めする。   Continuing to 1916, a magnetic annealing process may be performed to determine the direction of the magnetic field of the fixed layer, such as the magnetic domain 109 of FIG. The magnetic annealing process may be a three-dimensional (3D) annealing process. All perpendicular MTJ layers may be annealed via a magnetic annealing process, pinning the pinned layer while allowing the free layer to be adjusted by the write current.

ある特定の実施形態では、図14に示されるように、複数のトレンチが形成されてよく、垂直MTJ構造を堆積するステップは、複数のトレンチの各々にMTJ層を形成することにより実行される。研磨は、CMPプロセスにより実行され、MTJ構造のMTJ層をエッチングすることなく、複数のトレンチの各々の外側の余剰の材料を除去して、複数の実質的に同様のMTJデバイスを形成することができる。   In certain embodiments, as shown in FIG. 14, multiple trenches may be formed, and the step of depositing the vertical MTJ structure is performed by forming an MTJ layer in each of the multiple trenches. Polishing may be performed by a CMP process to remove excess material outside each of the plurality of trenches without etching the MTJ layer of the MTJ structure to form a plurality of substantially similar MTJ devices. it can.

図20は、垂直磁気トンネル接合(MTJ)セルを形成する方法の、第2の特定の例示的な実施形態の流れ図である。2002において、図14のキャップ薄膜層1304のようなキャップ薄膜層が、図14の第2のIMD層1302のような、デバイスの金属間誘電層(IMD)に堆積される。2004に進み、ビアが、フォトエッチングプロセス、フォトレジスト剥離プロセス、および洗浄プロセスを用いて形成される。2006へ続き、ビアまたは開口が、図14の導電性材料1308のような導電性材料で充填され、化学機械研磨(CMP)プロセスが、余剰の導電性材料を除去するために実行される。2008に移り、図14の第2のキャップ層1412のようなキャップ層が、ビアを覆って堆積される。2010へ続き、垂直MTJ構造を決定する寸法を有する、図14のトレンチ1414のようなトレンチが、垂直MTJ構造にフォトエッチングプロセスを実行することなく、画定される。2012に進み、図14の下部電極1418のような下部電極が堆積される。2014へ続き、磁気薄膜およびトンネルバリア層を含む、複数の垂直磁気トンネル接合(MTJ)薄膜層が堆積され、図14の垂直磁気トンネル接合(MTJ)積層1420のような垂直MTJ積層を形成する。2016へ続き、図14の上部電極1422のような上部電極が、垂直MTJ積層の上に堆積され、垂直MTJセルを形成する。2018に進み、トレンチを直接覆わない余剰の材料を除去するために、リバースフォトエッチングプロセスが実行される。2020において、第2のキャップ層の上の余剰の材料を除去するために、CMPプロセスが実行される。2022に進み、垂直MTJ積層がフォトエッチングされ、垂直MTJ積層の1つの側壁を除去する。ある特定の実施形態では、垂直MTJ積層のフォトエッチングは、プロセスウィンドウまたはプロセス開口を画定する。方法は2024に進む。   FIG. 20 is a flow diagram of a second particular exemplary embodiment of a method of forming a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) cell. At 2002, a cap film layer, such as the cap film layer 1304 of FIG. 14, is deposited on the intermetal dielectric layer (IMD) of the device, such as the second IMD layer 1302 of FIG. Proceeding to 2004, vias are formed using a photo-etching process, a photoresist strip process, and a cleaning process. Following 2006, vias or openings are filled with a conductive material, such as conductive material 1308 of FIG. 14, and a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed to remove excess conductive material. Moving to 2008, a cap layer, such as the second cap layer 1412 of FIG. 14, is deposited over the via. Continuing to 2010, a trench, such as trench 1414 of FIG. 14, having dimensions that determine the vertical MTJ structure is defined without performing a photo-etching process on the vertical MTJ structure. Proceeding to 2012, a lower electrode, such as the lower electrode 1418 of FIG. 14, is deposited. Continuing to 2014, a plurality of perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) thin film layers, including a magnetic thin film and a tunnel barrier layer, are deposited to form a vertical MTJ stack, such as the perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) stack 1420 of FIG. Continuing to 2016, an upper electrode, such as the upper electrode 1422 of FIG. 14, is deposited over the vertical MTJ stack to form a vertical MTJ cell. Proceeding to 2018, a reverse photoetch process is performed to remove excess material that does not directly cover the trench. At 2020, a CMP process is performed to remove excess material on the second cap layer. Proceeding to 2022, the vertical MTJ stack is photo-etched to remove one sidewall of the vertical MTJ stack. In certain embodiments, the photo-etching of the vertical MTJ stack defines a process window or process opening. The method proceeds to 2024.

図21を参照すると、2024において、方法は2126に進み、磁気モーメントの方向を定めるために、磁気アニーリングプロセスが、垂直MTJ積層に対して実行される。2128に移り、図18の第3のキャップ層1644のような第3のキャップ薄膜層が、第2のキャップ薄膜層の上に堆積され、図18の第4のIMD層1646のような第2のIMDが、第3のキャップ薄膜層を覆って堆積される。2130に進み、図18のビア1860のような第2のビアが、フォトエッチングプロセスを用いて形成され、第2のビアまたは開口が、導電性材料で充填される。2132に進み、導電性材料を研磨するために、CMPプロセスが実行される。2134へ続き、金属配線が、金属層を堆積し、層をフォトエッチングして配線を形成することにより、または、トレンチを形成し、フォトエッチングし、メッキを行い、化学機械研磨(CMP)プロセスを実行することにより、画定され得る。ダマシンプロセスが用いられる場合、2132におけるビアのプロセスおよび2134における金属配線のプロセスは、画定されたトレンチのフォト/エッチング、フォトレジストの剥離、銅メッキ、および銅のCMPプロセスとして組み合わされ得る。方法は2136で終了する。   Referring to FIG. 21, at 2024, the method proceeds to 2126 and a magnetic annealing process is performed on the vertical MTJ stack to direct the magnetic moment. Moving to 2128, a third cap film layer, such as the third cap layer 1644 of FIG. 18, is deposited over the second cap film layer and a second, such as the fourth IMD layer 1646 of FIG. Of IMD is deposited over the third cap film layer. Proceeding to 2130, a second via, such as via 1860 in FIG. 18, is formed using a photo-etching process, and the second via or opening is filled with a conductive material. Proceeding to 2132, a CMP process is performed to polish the conductive material. Continuing to 2134, a metal interconnect deposits a metal layer and photoetches the layer to form the interconnect, or trenches are formed, photoetched, plated, and a chemical mechanical polishing (CMP) process. By doing so, it can be defined. If a damascene process is used, the via process at 2132 and the metal interconnect process at 2134 may be combined as a defined trench photo / etch, photoresist strip, copper plating, and copper CMP process. The method ends at 2136.

図22は、複数の垂直MTJ構造を有する記憶デバイスを含む、代表的なワイヤレス通信デバイス2200のブロック図である。通信デバイス2200は、トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のメモリアレイ2232と、トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のアレイを含む磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)2266とを含み、これらのメモリアレイおよびMRAMは、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)2210のようなプロセッサに結合される。DSP2210は、ソフトウェア2233のようなコンピュータ可読命令を記憶する、メモリ2231のようなコンピュータ可読媒体に結合される。通信デバイス2200はまた、DSP2210に結合されるトレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のキャッシュメモリデバイス2264を含む。トレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造のキャッシュメモリデバイス2264、トレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造のメモリアレイ2232、および、トレンチ領域の中に配置される複数の垂直MTJ構造を含むMRAMデバイス2266は、図3〜図21に関して説明されたようなプロセスに従って形成される、垂直MTJセルを含み得る。   FIG. 22 is a block diagram of an exemplary wireless communication device 2200 that includes a storage device having multiple vertical MTJ structures. The communication device 2200 includes a vertical MTJ structure memory array 2232 disposed in the trench region and a magnetoresistive random access memory (MRAM) 2266 including an array of vertical MTJ structure disposed in the trench region, These memory arrays and MRAM are coupled to a processor such as a digital signal processor (DSP) 2210. The DSP 2210 is coupled to a computer readable medium such as a memory 2231 that stores computer readable instructions such as software 2233. Communication device 2200 also includes a vertical MTJ structure cache memory device 2264 disposed in a trench region coupled to DSP 2210. A vertical MTJ structure cache memory device 2264 disposed in the trench region, a vertical MTJ structure memory array 2232 disposed in the trench region, and a plurality of vertical MTJ structures disposed in the trench region. MRAM device 2266 may include a vertical MTJ cell formed according to a process as described with respect to FIGS.

図22は、デジタルシグナルプロセッサ2210およびディスプレイ2228に結合されたディスプレイコントローラ2226も示す。コーダ/デコーダ(CODEC)2234は、デジタルシグナルプロセッサ2210に結合することもできる。スピーカー2236およびマイクロフォン2238は、コーデック2234に結合され得る。   FIG. 22 also shows a display controller 2226 coupled to the digital signal processor 2210 and the display 2228. A coder / decoder (CODEC) 2234 may also be coupled to the digital signal processor 2210. Speaker 2236 and microphone 2238 may be coupled to codec 2234.

図22は、ワイヤレスコントローラ2240が、デジタルシグナルプロセッサ2210およびワイヤレスアンテナ2242に結合され得ることも示す。ある特定の一実施形態では、入力デバイス2230および電源2244はシステムオンチップシステム2222に結合される。その上、ある特定の実施形態では、図22に示すように、ディスプレイ2228、入力デバイス2230、スピーカー2236、マイクロフォン2238、ワイヤレスアンテナ2242、および電源2244は、システムオンチップシステム2222の外部にある。しかし、これらの各々は、インターフェースまたはコントローラのような、システムオンチップシステム2222のコンポーネントに結合されてもよい。   FIG. 22 also illustrates that the wireless controller 2240 can be coupled to a digital signal processor 2210 and a wireless antenna 2242. In one particular embodiment, input device 2230 and power source 2244 are coupled to system-on-chip system 2222. Moreover, in certain embodiments, the display 2228, input device 2230, speaker 2236, microphone 2238, wireless antenna 2242, and power source 2244 are external to the system-on-chip system 2222, as shown in FIG. However, each of these may be coupled to a component of the system on chip system 2222, such as an interface or controller.

前述の開示されるデバイスおよび機能(たとえば、図1〜図18のデバイス、図19〜図21の方法、またはこれらの任意の組合せ)は、コンピュータ可読媒体に記憶されるコンピュータファイル(たとえば、RTL、GDSII、GERBERなど)になるように、設計され構成され得る。そのようなファイルの一部またはすべてが、そのようなファイルに基づいてデバイスを製造する製造担当者に与えられ得る。得られる製品は半導体ウェハを含み、このウェハは次いで、半導体ダイに切断され、半導体チップにパッケージングされる。そして、半導体チップは電子デバイスにおいて利用される。図23は、電子デバイス製造プロセス2300の、ある特定の例示的な実施形態を示す。   The disclosed devices and functions described above (eg, the device of FIGS. 1-18, the method of FIGS. 19-21, or any combination thereof) can be stored in a computer file (eg, RTL, GDSII, GERBER, etc.) can be designed and configured. Some or all of such files may be given to a manufacturing person who manufactures a device based on such files. The resulting product includes a semiconductor wafer, which is then cut into semiconductor dies and packaged into semiconductor chips. The semiconductor chip is used in an electronic device. FIG. 23 illustrates certain exemplary embodiments of an electronic device manufacturing process 2300.

物理的なデバイス情報2302は、製造プロセス2300において、たとえば研究用コンピュータ2306などで受け取られる。物理的なデバイス情報2302は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、MTJデバイスのような半導体デバイスの、少なくとも1つの物理的な特性を表す設計情報を、含み得る。たとえば、物理的なデバイス情報2302は、研究用コンピュータ2306に結合されるユーザインターフェース2304を介して入力される、物理的なパラメータ、材料の特性、および構造情報を含み得る。研究用コンピュータ2306は、メモリ2310のようなコンピュータ可読媒体に結合される、1つまたは複数のプロセシングコアのようなプロセッサ2308を含む。メモリ2310は、プロセッサ2308に、ファイルフォーマットに適合するように物理的なデバイス情報2302を変換させ、ライブラリファイル2312を生成させるように実行可能な、コンピュータ可読命令を記憶することができる。   The physical device information 2302 is received in the manufacturing process 2300, such as by the research computer 2306. The physical device information 2302 has a vertical MTJ structure disposed in the trench region as shown in any of FIGS. 1 to 18, or is formed according to any of FIGS. 19 to 21. Design information representing at least one physical characteristic of a semiconductor device, such as an MTJ device, may be included. For example, physical device information 2302 may include physical parameters, material properties, and structural information input via a user interface 2304 coupled to research computer 2306. Research computer 2306 includes a processor 2308, such as one or more processing cores, coupled to a computer-readable medium, such as memory 2310. The memory 2310 may store computer readable instructions executable to cause the processor 2308 to convert the physical device information 2302 to conform to the file format and generate a library file 2312.

ある特定の実施形態では、ライブラリファイル2312は、変換された設計情報を含む少なくとも1つのデータファイルを含む。たとえば、ライブラリファイル2312は、図1〜図18のいずれかに示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを含む、半導体デバイスのライブラリを含んでもよく、このライブラリは、電子設計自動化(EDA)ツール2320とともに用いるために提供される。   In certain embodiments, the library file 2312 includes at least one data file that includes converted design information. For example, the library file 2312 has a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or is formed according to any of FIGS. 19-21. A library of semiconductor devices, including MTJ devices, may be included and provided for use with electronic design automation (EDA) tool 2320.

ライブラリファイル2312は、メモリ2318に結合される1つまたは複数のプロセシングコアのようなプロセッサ2316を含む、設計用コンピュータ2314において、EDAツール2320とともに用いられ得る。EDAツール2320は、メモリ2318にプロセッサ実行可能命令として記憶され、設計用コンピュータ2314のユーザが、ライブラリファイル2312の、図1〜図18のいずれかで示されたような垂直MTJデバイスを用いた、または図19〜図21のいずれかに従って形成された回路を、設計できるようにし得る。たとえば、設計用コンピュータ2314のユーザは、設計用コンピュータ2314と結合されるユーザインターフェース2324を介して、回路設計情報2322を入力することができる。回路設計情報2322は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスのような半導体デバイスの、少なくとも1つの物理的な特性を表す設計情報を、含み得る。例示すると、回路設計の特性は、回路設計における特定の回路の識別および他の要素との関係、位置情報、形状サイズ情報、相互接続情報、または、半導体デバイスの物理的な特性を表す他の情報を含み得る。   The library file 2312 may be used with an EDA tool 2320 in a design computer 2314 that includes a processor 2316 such as one or more processing cores coupled to a memory 2318. The EDA tool 2320 is stored in the memory 2318 as processor-executable instructions, and a user of the design computer 2314 uses a vertical MTJ device such as that shown in any of FIGS. Alternatively, a circuit formed according to any of FIGS. 19-21 may be designed. For example, a user of design computer 2314 can input circuit design information 2322 via user interface 2324 coupled to design computer 2314. The circuit design information 2322 has a vertical MTJ structure disposed in the trench region as shown in any of FIGS. 1 to 18, or is formed according to any of FIGS. 19 to 21. Design information representing at least one physical characteristic of a semiconductor device, such as a device, may be included. Illustratively, circuit design characteristics include identification of a particular circuit in the circuit design and relationships with other elements, position information, shape size information, interconnect information, or other information representing the physical characteristics of a semiconductor device. Can be included.

設計用コンピュータ2314は、ファイルフォーマットと適合するように、回路設計情報2322を含む設計情報を変換するように構成され得る。例示すると、ファイル形式は、平面的な幾何形状、文字列の標識、および、Graphic Data System (GDSII)ファイルフォーマットのような階層的なフォーマットでの回路レイアウトについての他の情報を表す、データベースのバイナリファイルのフォーマットを含み得る。設計用コンピュータ2314は、図1〜図18のいずれかで示される、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを記述する情報を、他の回路または情報に加えて含む、GDSIIファイル2326のような変換された設計情報を含むデータファイルを生成するように構成され得る。例示すると、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを含み、かつ、中に追加の電子回路およびコンポーネントも含む、システムオンチップ(SOC)に対応する情報を、データファイルは含み得る。   Design computer 2314 may be configured to convert design information including circuit design information 2322 to be compatible with the file format. Illustratively, the file format is a database binary that represents planar geometry, string labels, and other information about circuit layout in a hierarchical format such as the Graphic Data System (GDSII) file format. Can include the format of the file. The design computer 2314 adds information describing the vertical MTJ device shown in any of FIGS. 1-18 or formed according to any of FIGS. 19-21 in addition to other circuitry or information. It may be configured to generate a data file that includes the converted design information, such as a GDSII file 2326. Illustratively, including a vertical MTJ device having a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or formed according to any of FIGS. The data file may include information corresponding to a system on chip (SOC), including additional electronic circuitry and components therein.

GDSIIファイル2326は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを、GDSIIファイル2326の中の変換された情報に従って製造するために、製造プロセス2328において受け取られ得る。たとえば、デバイス製造プロセスは、代表的なマスク2332として図示される、たとえばフォトリソグラフィ処理に使用されるマスクなど1つまたは複数のマスクを作るために、GDSIIファイル2326をマスク製造業者2330に提供するステップを含むことができる。マスク2332は、製造プロセスの間に用いられ、1つまたは複数のウェハ2334を生成することができ、ウェハ2334は検査されて、代表的なダイ2336のようなダイに分割され得る。ダイ2336は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを含む回路を、含む。   The GDSII file 2326 has a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or is formed according to any of FIGS. 19-21. May be received in the manufacturing process 2328 to manufacture according to the converted information in the GDSII file 2326. For example, the device manufacturing process provides GDSII file 2326 to mask manufacturer 2330 to create one or more masks, such as a mask used for photolithographic processing, illustrated as representative mask 2332. Can be included. Mask 2332 can be used during the manufacturing process to produce one or more wafers 2334 that can be inspected and divided into dies, such as representative die 2336. Die 2336 has a vertical MTJ device that has a vertical MTJ structure located in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or is formed according to any of FIGS. Including a circuit.

ダイ2336を、パッケージングプロセス2338に提供することができ、パッケージングプロセス2338において、ダイ2336は代表的なパッケージ2340に組み込まれる。たとえば、パッケージ2340は、システムインパッケージ(SiP)構成のような、単一のダイ2336または複数のダイを含み得る。パッケージ2340は、電子機器技術評議会(JEDEC)規格のような、1つまたは複数の規格または仕様を遵守するように構成され得る。   The die 2336 can be provided to a packaging process 2338 where the die 2336 is incorporated into the representative package 2340. For example, the package 2340 may include a single die 2336 or multiple dies, such as a system in package (SiP) configuration. Package 2340 may be configured to comply with one or more standards or specifications, such as the Electronics Technology Council (JEDEC) standard.

パッケージ2340に関する情報は、たとえばコンピュータ2346に記憶されるコンポーネントライブラリを介して、様々な製品設計者に配布され得る。コンピュータ2346は、メモリ2350に結合される、1つまたは複数のプロセシングコアのようなプロセッサ2348を含み得る。ユーザインターフェース2344を介してコンピュータ2346のユーザから受け取られたPCB設計情報2342を処理するために、プリント回路基板(PCB)ツールが、メモリ2350にプロセッサ実行可能命令として保存され得る。PCB設計情報2342は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを含む、パッケージ2340に対応するパッケージングされた半導体デバイスの、回路基板上での物理的な位置情報を含み得る。   Information about the package 2340 can be distributed to various product designers, for example, via a component library stored on the computer 2346. Computer 2346 may include a processor 2348 such as one or more processing cores coupled to memory 2350. A printed circuit board (PCB) tool may be stored in memory 2350 as processor executable instructions to process PCB design information 2342 received from a user of computer 2346 via user interface 2344. PCB design information 2342 has a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or formed according to any of FIGS. 19-21. Physical location information on the circuit board of the packaged semiconductor device corresponding to package 2340, including the device, may be included.

コンピュータ2346は、PCB設計情報2342を変換して、パッケージングされた半導体デバイスの回路基板上での物理的な位置情報とともに、配線およびビアのような電気的な接続のレイアウトを含むデータを有する、GERBERファイル2352のようなデータファイルを生成するように構成されてもよく、パッケージングされた半導体デバイスは、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスを含む、パッケージ2340に相当する。他の実施形態では、変換されたPCB設計情報により生成されたデータファイルは、GERBERフォーマット以外のフォーマットを有してもよい。   The computer 2346 converts the PCB design information 2342 to have data including the physical location information on the circuit board of the packaged semiconductor device as well as the layout of electrical connections such as wiring and vias. A packaged semiconductor device may be configured to generate a data file such as GERBER file 2352 and the vertical MTJ placed in a trench region as shown in any of FIGS. Corresponds to a package 2340 comprising a vertical MTJ device having a structure or formed according to any of FIGS. In other embodiments, the data file generated by the converted PCB design information may have a format other than the GERBER format.

GERBERファイル2352は、基板組立プロセス2354において受け取られ、GERBERファイル2352内に保存される設計情報に従って製造される、代表的なPCB2356のようなPCBを作成するために、用いられ得る。たとえば、GERBERファイル2352は、PCB製造プロセスの様々なステップを実行するための1つまたは複数の機械にアップロードすることができる。PCB2356は、パッケージ2340を含む電子コンポーネントを装着されて、代表的なプリント回路アセンブリ(PCA)2358を形成することができる。   The GERBER file 2352 may be used to create a PCB, such as a representative PCB 2356, that is received according to the design information received in the board assembly process 2354 and stored in the GERBER file 2352. For example, the GERBER file 2352 can be uploaded to one or more machines for performing various steps of the PCB manufacturing process. PCB 2356 can be mounted with electronic components including package 2340 to form a typical printed circuit assembly (PCA) 2358.

PCA2358は、製品製造プロセス2360において受け取られ、第1の代表的な電子デバイス2362および第2の代表的な電子デバイス2364のような、1つまたは複数の電子デバイスとなるように統合され得る。例示的、非限定的な例として、第1の代表的な電子デバイス2362、第2の代表的な電子デバイス2364、またはその両方は、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末(PDA)、固定式の位置データユニット、およびコンピュータという群から選択され得る。別の例示的かつ非限定的な例として、電子デバイス2362および2364の1つまたは複数は、携帯電話、携帯用パーソナル通信システム(PCS)ユニット、携帯情報端末のような持ち運び可能なデータユニット、全地球測位システム(GPS)対応デバイス、ナビゲーションデバイス、計測装置のような固定式の位置データユニット、または、データもしくはコンピュータ命令を保存もしくは取り出す任意の他のデバイス、またはこれらの任意の組合せのような、遠隔ユニットであってよい。図23は、本開示の教示に従った遠隔ユニットを示すが、本開示は、これらの例示的な示されたユニットには限定されない。本開示の実施形態は、メモリおよびオンチップ回路を含む能動的な統合された回路を含む、任意のデバイスにおいて適切に利用され得る。   PCA 2358 may be received in product manufacturing process 2360 and integrated into one or more electronic devices, such as first exemplary electronic device 2362 and second exemplary electronic device 2364. By way of illustrative and non-limiting example, a first representative electronic device 2362, a second representative electronic device 2364, or both are set-top boxes, music players, video players, entertainment units, navigation devices. , Communication devices, personal digital assistants (PDAs), fixed location data units, and computers. As another illustrative and non-limiting example, one or more of electronic devices 2362 and 2364 may include portable data units such as mobile phones, portable personal communication system (PCS) units, personal digital assistants, all A fixed positioning data unit such as a Global Positioning System (GPS) compatible device, a navigation device, a measurement device, or any other device that stores or retrieves data or computer instructions, or any combination thereof, It may be a remote unit. Although FIG. 23 illustrates remote units according to the teachings of the present disclosure, the present disclosure is not limited to these exemplary illustrated units. Embodiments of the present disclosure can be suitably utilized in any device, including active integrated circuits including memory and on-chip circuitry.

したがって、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスが、例示的なプロセス2300で説明されるように、製造され、プロセスされ、電子デバイスに組み込まれ得る。図1〜図22に関して開示される実施形態の1つまたは複数の態様は、ライブラリファイル2312、GDSIIファイル2326、GERBERファイル2352内などに、様々なプロセスの段階で含まれてもよく、また、研究用コンピュータ2306のメモリ2310、設計用コンピュータ2314のメモリ2318、コンピュータ2346のメモリ2350、基板組立プロセス2354のような様々な段階で用いられる1つまたは複数の他のコンピュータまたはプロセッサのメモリ(図示せず)に保存されてもよく、また、マスク2332、ダイ2336、パッケージ2340、PCA2358、プロトタイプ回路もしくはデバイスのような他の製品(図示せず)、またはこれらの任意の組合せのような1つまたは複数の他の物理的な実施形態に組み込まれてもよい。たとえば、GDSIIファイル2326または製造プロセス2328は、コンピュータにより実行可能な命令を記憶するコンピュータ可読有形媒体、材料堆積システムのコントローラ、または他の電子デバイスを含んでもよく、命令は、図1〜図18のいずれかで示されるようなトレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を有する、または、図19〜図21のいずれかに従って形成される、垂直MTJデバイスの形成を開始するように、コンピュータまたはコントローラのプロセッサにより実行可能な、命令を含む。たとえば、命令は、製造段階2328などにおいて、デバイス基板を覆って金属層を形成するステップ、金属層と接触するビアを形成するステップ、ビアの上に誘電層を追加するステップ、誘電層の一部をエッチングしてトレンチ領域を形成するステップ、および、垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造をトレンチ領域の中に堆積するステップを開始するように、コンピュータにより実行可能な命令を含んでもよい。物理的なデバイス設計から最終製品までの製造の様々な代表的な段階が示されるが、他の実施形態では、より少数の段階が用いられてもよく、または追加の段階が含まれてもよい。同様に、プロセス2300は、単一のエンティティによって、あるいは、プロセス2300の様々な段階を実行する1つまたは複数のエンティティによって実行されてもよい。   Thus, a vertical MTJ device having a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown in any of FIGS. 1-18, or formed according to any of FIGS. Can be manufactured, processed, and incorporated into an electronic device as described in exemplary process 2300. One or more aspects of the embodiments disclosed with respect to FIGS. 1-22 may be included at various stages of the process, such as in library file 2312, GDSII file 2326, GERBER file 2352, etc. One or more other computer or processor memories (not shown) used at various stages, such as the memory 2310 of the computer 2306, the memory 2318 of the design computer 2314, the memory 2350 of the computer 2346, and the board assembly process 2354 One or more such as mask 2332, die 2336, package 2340, PCA 2358, other products (not shown) such as prototype circuits or devices, or any combination thereof. Other physical It may be incorporated into the facilities embodiment. For example, GDSII file 2326 or manufacturing process 2328 may include a computer-readable tangible medium that stores computer-executable instructions, a controller for a material deposition system, or other electronic device, the instructions of FIGS. A computer or controller to initiate the formation of a vertical MTJ device having a vertical MTJ structure disposed in a trench region as shown or formed according to any of FIGS. Instructions that can be executed by any processor. For example, the instructions may include forming a metal layer over the device substrate, forming a via in contact with the metal layer, adding a dielectric layer over the via, a portion of the dielectric layer, such as in manufacturing stage 2328 May be included in the computer-executable instructions to begin etching to form a trench region and depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure in the trench region. While various representative stages of manufacture from physical device design to final product are shown, in other embodiments, fewer stages may be used or additional stages may be included. . Similarly, process 2300 may be performed by a single entity or by one or more entities that perform various stages of process 2300.

本明細書で開示される実施形態とともに説明される様々な例示的な論理ブロック、構成、モジュール、回路、および方法のステップは、電子的なハードウェア、処理ユニットにより実行されるコンピュータソフトウェア、またはこれら両方の組合せとして実装され得ることが、当業者にはさらに理解されよう。様々な例示的なコンポーネント、ブロック、構成、モジュール、回路、およびステップが、全般にそれらの機能に関して、上で説明されてきた。そのような機能がハードウェアとして実装されるか、実行可能な処理命令として実装されるかは、具体的な用途およびシステム全体に課された設計制約により決まる。当業者は、説明した機能を特定の適用例ごとに様々な方法で実装し得るが、そのような実装の決定は、本開示の範囲からの逸脱を生じるものと解釈すべきではない。   Various exemplary logic blocks, configurations, modules, circuits, and method steps described in connection with the embodiments disclosed herein may be performed by electronic hardware, computer software executed by a processing unit, or the like. One skilled in the art will further appreciate that it can be implemented as a combination of both. Various illustrative components, blocks, configurations, modules, circuits, and steps have been described above generally in terms of their functionality. Whether such functions are implemented as hardware or executable processing instructions depends on the specific application and design constraints imposed on the overall system. Those skilled in the art may implement the described functionality in a variety of ways for each particular application, but such implementation decisions should not be construed as departing from the scope of the present disclosure.

本明細書で開示する実施形態に関して説明する方法またはアルゴリズムのステップは、直接ハードウェアで実施されるか、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実施されるか、またはその2つの組合せで実施され得る。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)、スピントルク注入磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(STT−MRAM)、フラッシュメモリ、読み取り専用メモリ(ROM)、プログラム可能読み取り専用メモリ(PROM)、消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ(EPROM)、電気的に消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、取り外し可能ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ(CD−ROM)、または当技術分野で知られる任意の他の形態の記憶媒体に、存在し得る。例示的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替として、記憶媒体はプロセッサと一体であり得る。プロセッサおよび記憶媒体は、特定用途向け集積回路(ASIC)に存在し得る。ASICは、コンピューティングデバイスまたはユーザ端末に存在し得る。代替的には、プロセッサおよび記憶媒体は、コンピューティングデバイスまたはユーザ端末の中に、個別のコンポーネントとして存在し得る。   The method or algorithm steps described in connection with the embodiments disclosed herein may be implemented directly in hardware, implemented in software modules executed by a processor, or a combination of the two. Software modules include random access memory (RAM), magnetoresistive random access memory (MRAM), spin torque injection magnetoresistive random access memory (STT-MRAM), flash memory, read only memory (ROM), programmable read only memory ( PROM), erasable programmable read only memory (EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), register, hard disk, removable disk, compact disk read only memory (CD-ROM), or It may reside in any other form of storage medium known in the art. An exemplary storage medium is coupled to the processor such that the processor can read information from, and write information to, the storage medium. In the alternative, the storage medium may be integral to the processor. The processor and the storage medium may reside in an application specific integrated circuit (ASIC). The ASIC may reside in a computing device or user terminal. In the alternative, the processor and the storage medium may reside as discrete components in a computing device or user terminal.

開示される実施形態の上記の説明は、当業者が、開示された実施形態を実現または利用できるようにするために、提供される。これらの実施形態への様々な修正が、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される原理は、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書で示される実施形態に限定されることは意図されず、以下の特許請求の範囲で定義されるような原理および新規の特徴と矛盾しない、可能な最大の範囲を認められるべきである。   The above description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to realize or use the disclosed embodiments. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the disclosure. Accordingly, the present disclosure is not intended to be limited to the embodiments shown herein, but is to the greatest possible extent consistent with the principles and novel features as defined in the following claims. Should be accepted.

100 回路基板
101 第1の金属間誘電層
102 第2の金属間誘電層
103 配線
105 デバイス基板
107 磁区
108 ビアフィリング材料
114 トレンチ
150 垂直磁気トンネル接合セル
152 垂直MTJ積層
154 フリー層
156 トンネルバリア層
158 ピン止め層
160 ビア
170 上部電極
176 下部電極
178 リファレンス層
180 キャップ層
2232 トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のメモリアレイ
2264 トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のキャッシュメモリデバイス
2266 トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造のアレイを含むMRAM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Circuit board 101 1st intermetallic dielectric layer 102 2nd intermetallic dielectric layer 103 Wiring 105 Device board 107 Magnetic domain 108 Via filling material 114 Trench 150 Vertical magnetic tunnel junction cell 152 Vertical MTJ lamination | stacking 154 Free layer 156 Tunnel barrier layer 158 Pinned Layer 160 Via 170 Upper Electrode 176 Lower Electrode 178 Reference Layer 180 Cap Layer 2232 Vertical MTJ Structure Memory Array 2264 Arranged in the Trench Region 2264 Vertical MTJ Structure Cache Memory Device 2266 Trench Arranged in the Trench Region MRAM including an array of vertical MTJ structures arranged in a region

Claims (44)

半導体デバイスを製造する方法であって、
デバイス基板を覆って金属層を形成するステップと、
前記金属層と接触するビアを形成するステップと、
前記ビアの上に誘電層を追加するステップと、
前記誘電層の一部をエッチングして、トレンチ領域を形成するステップと、
垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造を、前記トレンチ領域の中に堆積するステップと
を含む、方法。
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
Forming a metal layer over the device substrate;
Forming a via in contact with the metal layer;
Adding a dielectric layer over the via;
Etching a portion of the dielectric layer to form a trench region;
Depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure in the trench region.
前記垂直MTJ構造を研磨するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising polishing the vertical MTJ structure. 前記研磨するステップが、前記垂直MTJ構造にフォトエッチングプロセスを実行することなく実行される、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the polishing step is performed without performing a photo-etching process on the vertical MTJ structure. 前記垂直MTJ構造を研磨するステップが、堆積された材料を前記基板から除去し、実質的に平らな表面を画定するステップを含む、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein polishing the vertical MTJ structure comprises removing deposited material from the substrate to define a substantially flat surface. 前記垂直MTJ構造を研磨するステップが、化学機械研磨(CMP)プロセスを実行して、余剰の材料を除去するステップを含む、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein polishing the vertical MTJ structure comprises performing a chemical mechanical polishing (CMP) process to remove excess material. 複数のトレンチを形成するステップをさらに含み、垂直MTJ構造を堆積するステップが、前記複数のトレンチの各々にMTJ層を形成することにより実行され、前記研磨するステップが、化学機械研磨(CMP)プロセスにより実行されて、前記複数のトレンチの各々の外側の余剰の材料を除去し、前記MTJ構造の前記MTJ層をエッチングすることなく複数の実質的に同様のMTJデバイスを形成する、請求項2に記載の方法。   The method further includes forming a plurality of trenches, wherein the step of depositing a vertical MTJ structure is performed by forming an MTJ layer in each of the plurality of trenches, and the polishing step is a chemical mechanical polishing (CMP) process. The method of claim 2, wherein removing a surplus material outside each of the plurality of trenches to form a plurality of substantially similar MTJ devices without etching the MTJ layer of the MTJ structure. The method described. 前記垂直MTJ構造が、フリー層と固定層との間にバリア層を含み、前記固定層と前記フリー層の少なくとも1つが、前記トレンチの底面に近接し、前記トレンチ領域の前記底面に実質的に垂直な磁気モーメントを有する、請求項1に記載の方法。   The vertical MTJ structure includes a barrier layer between a free layer and a fixed layer, and at least one of the fixed layer and the free layer is proximate to a bottom surface of the trench and substantially at the bottom surface of the trench region. The method of claim 1, having a perpendicular magnetic moment. 前記垂直MTJ構造が、MTJフォトエッチングプロセスを用いることなく形成される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the vertical MTJ structure is formed without using an MTJ photoetching process. 磁気アニーリングプロセスを実行して、前記固定層が持つ磁場の方向を定めるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising performing a magnetic annealing process to determine the direction of the magnetic field of the pinned layer. 前記MTJ構造を覆って上部電極を形成するステップをさらに含み、研磨するステップが、前記トレンチ領域の外側の電極材料の一部を除去するステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising forming a top electrode over the MTJ structure, wherein the polishing comprises removing a portion of the electrode material outside the trench region. 金属層を形成する前記ステップ、ビアを形成する前記ステップ、誘電層を追加する前記ステップ、前記誘電層の一部をエッチングする前記ステップ、および垂直MTJ構造を堆積する前記ステップが、電子デバイスに組み込まれるプロセッサにおいて実行される、請求項1に記載の方法。   The steps of forming a metal layer, forming a via, adding a dielectric layer, etching a portion of the dielectric layer, and depositing a vertical MTJ structure are incorporated into an electronic device. The method of claim 1, wherein the method is executed on a processor. トレンチ領域の中に配置される垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造を含む、半導体デバイス。   A semiconductor device comprising a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure disposed in a trench region. 前記垂直MTJ構造が、実質的にU字形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure has a substantially U-shaped cross section. 前記垂直MTJ構造が、実質的にL字形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure has a substantially L-shaped cross section. 前記垂直MTJ構造が、実質的に長方形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure has a substantially rectangular cross section. 前記トレンチ領域が、実質的にU字形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the trench region has a substantially U-shaped cross section. 前記トレンチ領域が、実質的にL字形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the trench region has a substantially L-shaped cross section. 前記トレンチ領域が、実質的に長方形の断面を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the trench region has a substantially rectangular cross section. 前記トレンチ領域の少なくとも一部が、実質的に曲がった形状を有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein at least a portion of the trench region has a substantially curved shape. 前記MTJ構造の形状が、前記MTJ構造をエッチングすることなく、前記トレンチ領域により画定される、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein a shape of the MTJ structure is defined by the trench region without etching the MTJ structure. 前記垂直MTJ構造が、フリー層と固定層との間にバリア層を含み、前記固定層と前記フリー層の少なくとも1つが、前記トレンチ領域の底面に近接し、前記トレンチ領域の前記底面に実質的に垂直な磁気モーメントを有する、請求項12に記載の半導体デバイス。   The vertical MTJ structure includes a barrier layer between a free layer and a fixed layer, and at least one of the fixed layer and the free layer is proximate to a bottom surface of the trench region and substantially on the bottom surface of the trench region. The semiconductor device of claim 12 having a magnetic moment perpendicular to. 前記垂直MTJ構造が、前記トレンチ領域の前記底面に近接し、かつ前記トレンチ領域の前記底面に実質的に垂直な磁気モーメントを有する、リファレンス層を含む、請求項21に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 21, wherein the vertical MTJ structure includes a reference layer having a magnetic moment proximate to the bottom surface of the trench region and substantially perpendicular to the bottom surface of the trench region. 前記垂直MTJ構造が、前記フリー層を覆うキャップ層を含む、請求項21に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 21, wherein the vertical MTJ structure includes a cap layer covering the free layer. 前記垂直MTJ構造が鉄/白金を含む、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure comprises iron / platinum. 前記垂直MTJ構造がコバルト/白金を含む、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure comprises cobalt / platinum. 前記垂直MTJ構造がコバルト/ニッケルを含む、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the vertical MTJ structure comprises cobalt / nickel. 前記リファレンス層が白金を含む、請求項22に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 22, wherein the reference layer comprises platinum. 少なくとも1つの半導体ダイに組み込まれる、請求項12に記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 12, wherein the semiconductor device is incorporated into at least one semiconductor die. セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末(PDA)、固定式の位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択されるデバイスをさらに含み、前記デバイスに前記半導体ダイが組み込まれる、請求項12に記載の半導体デバイス。   And further comprising a device selected from the group consisting of a set top box, a music player, a video player, an entertainment unit, a navigation device, a communication device, a personal digital assistant (PDA), a fixed location data unit, and a computer, The semiconductor device of claim 12, wherein the semiconductor die is incorporated. 半導体デバイスを製造する方法であって、
第1のキャップ薄膜層を、デバイスの金属間誘電(IMD)層の上に堆積するステップと、
前記第1のキャップ薄膜層および前記金属間誘電層に対して、フォト/エッチング/フォトレジスト剥離プロセスを実行して、ビアを画定するステップと、
前記ビアの中に、第1の導電性材料を堆積するステップと、
化学機械研磨(CMP)プロセスを実行して、前記第1の導電性材料を研磨するステップと、
キャップ層を堆積するステップと、
前記デバイスの中にトレンチを画定するステップであって、前記トレンチが、MTJ構造にフォトエッチングプロセスを実行することなく、前記MTJ構造の形状を決定する寸法を有する、ステップと、
第2の導電性材料を堆積して、前記トレンチの中に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極の上に垂直MTJ積層を形成するステップであって、前記垂直MTJ積層が、前記下部電極の表面に垂直な磁気モーメントを有する磁気薄膜を含み、前記MTJ積層が、トンネルバリア層も含む、ステップと、
第3の導電性材料を堆積して、上部電極を形成するステップと、
リバースフォト/エッチングプロセスを実行して、前記トレンチを超えて延在する材料を除去するステップと、
CMPプロセスを実行して、第2のキャップ薄膜層の上の材料を除去するステップと、
前記第2のキャップ薄膜層の上に第3のキャップ薄膜層を堆積するステップと、
磁気アニーリングプロセスを実行して、前記磁気モーメントの方向を定めるステップと、
前記第3のキャップ薄膜層の上に第2のIMD層を堆積するステップと、
前記第3のキャップ薄膜層および前記第2のIMD層に対して、フォト/エッチングを実行して、第2のビアを画定するステップと、
前記第2のビアの中に、第2の導電性材料を堆積するステップと、
CMPプロセスを実行して、前記第2の導電性材料を研磨するステップと、
前記第2のビアを覆って金属層を堆積するステップと
を含む、方法。
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
Depositing a first cap thin film layer over an intermetal dielectric (IMD) layer of the device;
Performing a photo / etch / photoresist strip process on the first cap thin film layer and the intermetal dielectric layer to define vias;
Depositing a first conductive material in the via;
Performing a chemical mechanical polishing (CMP) process to polish the first conductive material;
Depositing a cap layer;
Defining a trench in the device, the trench having dimensions that determine the shape of the MTJ structure without performing a photo-etching process on the MTJ structure;
Depositing a second conductive material to form a bottom electrode in the trench;
Forming a vertical MTJ stack on the lower electrode, the vertical MTJ stack including a magnetic thin film having a magnetic moment perpendicular to a surface of the lower electrode, and the MTJ stack including a tunnel barrier layer; , Steps and
Depositing a third conductive material to form an upper electrode;
Performing a reverse photo / etch process to remove material extending beyond the trench;
Performing a CMP process to remove material on the second cap thin film layer;
Depositing a third cap thin film layer on the second cap thin film layer;
Performing a magnetic annealing process to determine the direction of the magnetic moment;
Depositing a second IMD layer over the third cap thin film layer;
Performing photo / etching on the third cap thin film layer and the second IMD layer to define a second via;
Depositing a second conductive material in the second via;
Performing a CMP process to polish the second conductive material;
Depositing a metal layer over the second via.
フォト/エッチングを実行して、前記トレンチの側壁に沿って前記垂直MTJ積層の一部を除去するステップをさらに含む、請求項30に記載の方法。   31. The method of claim 30, further comprising performing a photo / etch to remove a portion of the vertical MTJ stack along the trench sidewall. 半導体デバイスを製造する方法であって、
デバイス基板を覆って金属層を形成するための第1のステップと、
前記金属層と接触するビアを形成するための第2のステップと、
前記ビアの上に誘電層を追加するための第3のステップと、
前記誘電層の一部をエッチングして、トレンチ領域を形成するための第4のステップと、
垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造を、前記トレンチ領域に堆積するための第5のステップと
を含む、方法。
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
A first step for forming a metal layer over the device substrate;
A second step for forming a via in contact with the metal layer;
A third step for adding a dielectric layer over the via;
A fourth step for etching a portion of the dielectric layer to form a trench region;
And a fifth step for depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure in the trench region.
前記第1のステップ、前記第2のステップ、前記第3のステップ、前記第4のステップ、および前記第5のステップが、電子デバイスに組み込まれるプロセッサにおいて実行される、請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, wherein the first step, the second step, the third step, the fourth step, and the fifth step are performed in a processor embedded in an electronic device. . コンピュータにより実行可能な命令を記憶するコンピュータ可読有形媒体であって、前記命令が、
デバイス基板を覆って金属層を形成するステップを開始するように、前記コンピュータにより実行可能な命令と、
前記金属層と接触するビアを形成するステップを開始するように、前記コンピュータにより実行可能な命令と、
前記ビアの上に誘電層を追加するステップを開始するように、前記コンピュータにより実行可能な命令と、
前記誘電層の一部をエッチングして、トレンチ領域を形成するステップを開始するように、前記コンピュータにより実行可能な命令と、
垂直磁気トンネル接合(MTJ)構造を、前記トレンチ領域に堆積するステップを開始するように、前記コンピュータにより実行可能な命令と
を含む、コンピュータ可読有形媒体。
A computer-readable tangible medium storing instructions executable by a computer, the instructions comprising:
Instructions executable by the computer to initiate the step of forming a metal layer over the device substrate;
Instructions executable by the computer to initiate a step of forming a via in contact with the metal layer;
Instructions executable by the computer to initiate the step of adding a dielectric layer over the via;
Instructions executable by the computer to initiate a step of etching a portion of the dielectric layer to form a trench region;
A computer readable tangible medium comprising instructions executable by the computer to initiate a step of depositing a perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) structure in the trench region.
前記命令が、通信デバイス、固定式の位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択されるデバイスに組み込まれるプロセッサにより実行可能である、請求項34に記載のコンピュータ可読有形媒体。   35. The computer readable tangible medium of claim 34, wherein the instructions are executable by a processor embedded in a device selected from the group consisting of a communication device, a fixed location data unit, and a computer. 半導体デバイスの少なくとも1つの物理的な特性を表す設計情報を受け取るステップであって、前記半導体デバイスが、トレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を含む、ステップと、
前記設計情報を変換してファイルフォーマットに適合させるステップと、
前記変換された設計情報を含むデータファイルを生成するステップと
を含む、方法。
Receiving design information representative of at least one physical characteristic of a semiconductor device, the semiconductor device including a vertical MTJ structure disposed in a trench region;
Converting the design information to conform to a file format;
Generating a data file containing the converted design information.
前記データファイルがGDSIIフォーマットを含む、請求項36に記載の方法。   38. The method of claim 36, wherein the data file includes GDSII format. 半導体デバイスに対応する設計情報を含むデータファイルを受け取るステップと、
前記設計情報に従って前記半導体デバイスを製造するステップであって、前記半導体デバイスが、トレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を含む、ステップと
を含む、方法。
Receiving a data file containing design information corresponding to a semiconductor device;
Manufacturing the semiconductor device according to the design information, the semiconductor device comprising a vertical MTJ structure disposed in a trench region.
前記データファイルがGDSIIフォーマットを有する、請求項38に記載の方法。   40. The method of claim 38, wherein the data file has a GDSII format. パッケージングされた半導体デバイスの回路基板上での物理的な位置情報を含む設計情報を受け取るステップであって、半導体構造を含む前記パッケージングされた半導体デバイスが、トレンチ領域の中に配置される垂直MTJ構造を含む、ステップと、
前記設計情報を変換して、データファイルを生成するステップと
を含む、方法。
Receiving design information including physical location information on a circuit board of the packaged semiconductor device, wherein the packaged semiconductor device including a semiconductor structure is disposed in a trench region; Including a MTJ structure;
Converting the design information to generate a data file.
前記データファイルがGERBERフォーマットを有する、請求項40に記載の方法。   41. The method of claim 40, wherein the data file has a GERBER format. パッケージングされた半導体デバイスの回路基板上での物理的な位置情報を含む設計情報を含むデータファイルを受け取るステップと、
前記設計情報に従って、前記パッケージングされた半導体デバイスを受けるように構成される前記回路基板を製造するステップであって、前記パッケージングされた半導体デバイスが、トレンチ領域の中に配置された垂直MTJ構造を含む半導体構造を含む、ステップと
を含む、方法。
Receiving a data file including design information including physical location information on the circuit board of the packaged semiconductor device;
Manufacturing the circuit board configured to receive the packaged semiconductor device according to the design information, wherein the packaged semiconductor device is disposed in a trench region; Including a semiconductor structure comprising:
前記データファイルがGERBERフォーマットを有する、請求項42に記載の方法。   43. The method of claim 42, wherein the data file has a GERBER format. 前記回路基板を、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末(PDA)、固定式の位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択されるデバイスに組み込むステップをさらに含む、請求項42に記載の方法。   The circuit board is incorporated into a device selected from the group consisting of a set top box, music player, video player, entertainment unit, navigation device, communication device, personal digital assistant (PDA), fixed location data unit, and computer. 43. The method of claim 42, further comprising a step.
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